一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置及方法與流程

本發明屬于液壓支架過濾器技術領域，具體涉及一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置及方法。

背景技術：

隨著煤礦綜采技術的不斷提高，井下液壓支架對于高水基液壓油的使用要求也越來越高，井下的工作環境惡劣，液壓支架過濾器在使用過程中，需要對過濾器濾芯進行反沖洗，以確保液壓支架各執行元件的正常工作。

現有液壓支架中的反沖洗過濾器主要采用手動反沖洗，工人在井下操作不便，增加了工人的勞動強度，而且現有的過濾器多數沒有壓力監測裝置，過濾器反沖洗開啟的最佳時間難以確定，當需要人工操作時，過濾器濾芯上往往已有較多的雜質，影響過濾器的使用壽命和設備的可靠性；現有的過濾器反沖洗方法多數是通過高水基液壓油反向流動來清洗濾芯上的雜質，反沖洗動作時間長，沖洗效果不佳。現有的濾芯可旋轉的過濾器，旋轉濾芯都是由外接的電機驅動，這樣會增加設備的體積，不便于設備的安裝維護且不滿足煤礦井下的防爆工作條件。

技術實現要素：

本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為提供一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置，可以及時清除粘附在濾芯上的濾餅雜質，以確保過濾器的過濾效率和液壓支架各個執行元件的正常工作。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置，包括過濾器，所述過濾器內設置有濾芯，所述濾芯上方依次設置有射流儲液腔和引流部件，順時針射流管和逆時針射流管平行設置在濾芯與過濾器器壁之間；濾芯通過位于其中心的軸承安裝在所述過濾器上，所述引流部件包括設置在頂部的第一通道、和設置在底部的第二通道，所述引流部件的第一通道與高水基液壓泵連通，所述高水基液壓泵與引流部件的第一通道之間的管道上設置有流量計和節流閥；所述引流部件的第二通道與射流儲液腔的入口連通，所述射流儲液腔的出口與安裝在過濾器外壁上的插裝閥的p進液口連通，插裝閥的a出液口和b出液口分別與順時針射流管和逆時針射流管連通，所述順時針射流管上沿豎直方向設置有多個順時針射流孔，逆時針射流管上沿豎直方向設置有多個逆時針射流孔，所述順時針射流孔和所述逆時針射流孔在水平方向上分別與濾芯橫截面圓周斜相交，且所述順時針射流孔和所述逆時針射流孔內的液體噴射方向分別沿順時針和逆時針方向；當開始反沖洗時，高水基液壓泵中的反沖洗高水基液壓油從所述引流部件的第一通道進入，通過所述第二通道、射流儲液腔和插裝閥后，從所述順時針射流孔或所述逆時針射流孔噴射到所述濾芯上，帶動所述濾芯轉動并與所述濾芯相互作用引起流固耦合振動；所述插裝閥的控制端與plc控制器連接，所述plc控制器用于控制所述插裝閥的a出液口或b出液口導通，以控制所述濾芯的轉動方向及轉動時間；所述流量計的輸出端和節流閥的控制端與所述plc控制器連接，所述plc控制器還用于根據所述流量計的測量結果，調節節流閥的閥門大小，以調節所述順時針射流孔和所述逆時針射流孔的射流流量，使所述濾芯處于不同的耦合振動模態。

所述的一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置，還包括設置在所述高水基液壓泵與所述引流部件之間的電磁換向閥，以及分別設置在所述過濾器進液口上的第一壓力計和設置在所述過濾器出液口上的第二壓力計；所述第一壓力計和所述第二壓力計的輸出端與所述plc控制器連接，所述plc控制器的輸出端與所述電磁換向閥的控制端連接，所述plc控制器還用于在所述第一壓力計和第二壓力計的壓力差達到設定值時或過濾時間達到設定值時，控制所述電磁換向閥開啟進行反沖洗，所述plc控制器還用于在反沖洗時間達到設定值時，控制所述電磁換向閥關閉，停止反沖洗。

所述的一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置，還包括手動控制按鈕，所述手動控制按鈕用于手動打開所述電磁換向閥。

所述引流部件還包括分別設置在左右兩側的第三通道和第四通道，所述引流部件的第三通道和第四通道上分別設置有單向閥；從所述引流部件的第一通道進入的反沖洗高水基液壓油，還分別流入所述第三通道和第四通道，使所述單向閥分別堵住過濾器進液口和出液口。

所述過濾器的底部與排污單向閥連接。

本發明還提供了一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置的反沖洗方法，以下步驟：

s01、實時測量過濾器進液口和出液口的液體流量，當流量差達到設定值或過濾時間達到設定值時，通過plc控制器發出控制信號控制反沖洗裝置的控制閥門開啟；

s02、plc控制器通過調節所述節流閥的閥口開度，來改變進入反沖洗裝置的流量，使所述濾芯處于不同的耦合振動模態；

s03、plc控制器控制所述插裝閥的a出液口和b出液口交替導通，a出液口導通時，反沖液進入順時針射流管，并從所述順時針射流孔噴射出對濾芯進行沖洗，并推動濾芯使其順時針旋轉；b出液口導通時，反沖液進入逆時針射流管，并從所述逆時針射流孔噴射出對濾芯進行沖洗，并推動濾芯使其逆時針旋轉；

s04、當反沖洗時間達到設定值時，plc控制器發出控制信號控制反沖洗裝置的控制閥門關閉。

所述步驟s03中，插裝閥的a出液口和b出液口的交替導通時間為20～30s。

所述步驟s02的具體過程為：

s021、在plc控制器中，設定多個與耦合振動模態相關的流量值，以及對應流量值的沖洗時間；

s022、通過調節所述節流閥的閥口開度，使進入反沖洗裝置的實際流量達到第一個設定流量值，并通過流量計判斷是否調節到位，若沒有到位，繼續調節，直至設定實際流量與設定流量達到一致；

s023、第一個設定流量值對應的沖洗時間完成后，調節所述節流閥的閥口開度，使進入反沖洗裝置的實際流量達到第二個設定流量值，同樣通過流量計判斷是否調節到位，以此循環，直至所有設定流量值對應的沖洗時間完成。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明通過在過濾器內設置順時針射流管和逆時針射流管，該射流管上沿豎直方向設置有多個射流孔，使得在反沖洗時，高水基液壓油可以通過射流管上的射流孔噴射到濾芯上，引起濾芯振動，濾芯振動又影響射流孔中射出的高壓液流的運動，進而濾芯與反沖洗高水基液壓油之間的相互作用引起流固耦合振動，通過plc控制器控制節流閥來調節輸入流量的大小，可實現對射流沖擊力以及射流速度的控制，使濾芯在不同的射流速度和射流沖擊力激勵下表現出不同的耦合振動模態，提高了反沖洗的效率。同時，濾芯通過軸承與過濾器連接，則其在受到切向沖擊力的情況下可以發生旋轉運動，無需外接動力裝置；并且，順時針射流管和逆時針射流管可以使濾芯分別沿順時針和逆時針方向旋轉，則在流固耦合振動以及正反旋轉的作用下可以加快濾芯上的濾餅雜質剝離濾芯表面的速度，使雜質隨著高水基液壓油從過濾器底部的排污單向閥排出，提高了反沖洗的效果，并簡化了過濾器的結構，反沖洗控制方式簡單高效，反沖洗效率高。

此外，本發明通過在進液口和出液口設置壓力計，利用plc控制器監控進出液口的壓力差，可以自動打開電磁換向閥開啟自動反沖洗，實現了反沖洗裝置的智能化操作。

附圖說明

圖1為本發明實施例的系統結構圖；

圖2為本發明實施例的過濾器在正常過濾狀態時的示意圖；

圖3為本發明實施例的過濾器在反沖洗狀態時的示意圖；

圖4為過濾器在反沖洗狀態時的橫截面示意圖；

圖5為本發明實施例的濾芯一階、二階及三階的振動模態圖；

圖中，1-過濾器，2、3-壓力計，4-兩位兩通電磁換向閥，5-三位四通電磁換向閥，6-高水基液壓泵，7-低壓大流量泵，8-節流閥，9-流量計，10-plc控制器，11-濾芯，12-排污單向閥，13-反沖洗高壓接頭，14-手動控制按鈕，15、16-單向閥，17-射流儲液腔，18-順時針射流管，19-逆時針射流管，20-插裝閥，21-引流部件，22-順時針射流孔，23-逆時針射流孔，24-液壓支架立柱，25-雜質收集箱，pin-進液口，pout-出液口。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1～4所示，本發明實施例提出了一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置，包括過濾器1，所述過濾器1內設置有濾芯11，所述濾芯11上方依次設置有射流儲液腔17和引流部件21，順時針射流管18和逆時針射流管19平行設置在濾芯11與過濾器1器壁之間；濾芯11通過位于其中心的軸承安裝在所述過濾器1上，所述引流部件21包括設置在頂部的第一通道、和設置在底部的第二通道，所述引流部件21的第一通道與高水基液壓泵6連通，所述高水基液壓泵6與引流部件21的第一通道之間的管道上設置有節流閥8和流量計9；所述引流部件21的第二通道與射流儲液腔17的入口連通；過濾器的外壁上設置有插裝閥20，如圖2所示，插裝閥20具有一個進液口和兩個出液口，進液口標記為p進液口，兩個出液口分別標記為a出液口和b出液口，所述射流儲液腔17的出口與安裝在過濾器外壁上的插裝閥20的p進液口連通，插裝閥20的a出液口和b出液口分別與順時針射流管18和逆時針射流管19連通；所述順時針射流管18和逆時針射流管19上均沿豎直方向設置有多個如圖3所示的射流孔；如圖4所示示出了順時針射流管18和逆時針射流管19在濾芯旁邊的安裝示意圖，所述順時針射流管18上的射流孔22開孔方向使其液體噴射方向沿順時針，所述逆時針射流管19上的射流孔23的開孔方向使其液體噴射方向沿逆時針，因此將射流孔22記為順時針射流孔，將射流孔23記為逆時針射流孔，并且，所述順時針射流孔22和所述逆時針射流孔23在水平方向上分別與濾芯11橫截面圓周斜相交。

其中，如圖3所示，當過濾器開始反沖洗時，高水基液壓泵6中的反沖洗高水基液壓油從所述引流部件的第一通道進入，通過所述第二通道、射流儲液腔17和插裝閥20后，從所述順時針射流孔22或所述逆時針射流孔23噴射到所述濾芯11上，帶動所述濾芯11轉動并與所述濾芯11相互作用引起流固耦合振動；所述插裝閥20的控制端與plc控制器連接，所述plc控制器用于控制所述插裝閥20的a出液口或b出液口導通，以控制所述濾芯11的轉動方向及轉動時間；所述節流閥8的控制端和流量計9的輸出端與所述plc控制器連接，所述plc控制器還用于根據所述流量計9的測量結果，調節節流閥8的閥門大小，以調節所述順時針射流孔22和所述逆時針射流孔23的射流流量，使所述濾芯11處于不同的耦合振動模態。因此，本實施例的反沖洗裝置可以通過自動控制實現濾芯的耦合振動模態的變化，以達到快速高效清洗濾芯表面的濾渣，此外，還可以通過plc控制器自動控制濾芯的正反轉轉動，進一步加快了濾芯清洗的速度和優化了清洗效果。

進一步地，本實施例的反沖洗裝置還包括設置在所述高水基液壓泵6與所述引流部件21之間的電磁換向閥4，以及分別設置在所述過濾器1進液口上的第一壓力計2和設置在所述過濾器1出液口上的第二壓力計3；電磁換向閥4可以為兩位兩通電磁換向閥，所述第一壓力計2和所述第二壓力計3的輸出端與所述plc控制器連接，所述plc控制器的輸出端與所述電磁換向閥4的控制端連接，所述plc控制器用于在所述第一壓力計和第二壓力計的壓力差達到設定值時或過濾時間達到設定值時，控制所述電磁換向閥4開啟進行反沖洗，所述plc控制器還用于在反沖洗時間達到設定值時，控制所述電磁換向閥4關閉，停止反沖洗。因此，本實施例的反沖洗裝置不僅根據進液口與出液口的壓力差，來自動控制反沖洗過程的啟動，也可以根據過濾時間來自動控制反沖洗過程的啟動，增加了反沖洗裝置的智能化操作程度。

進一步地，本實施例的反沖洗裝置還包括手動控制按鈕14，所述手動控制按鈕用于手動打開所述電磁換向閥4。手動控制按鈕14可以在任何需要的時候，手動啟動反沖洗過程。

進一步地，所述引流部件21還包括分別設置在左右兩側的第三通道和第四通道，所述引流部件21的第三通道和第四通道上分別設置有單向閥15和單向閥16；從所述引流部件21的第一通道進入的反沖洗高水基液壓油，還分別流入所述第三通道和第四通道，使所述單向閥15，16分別堵住過濾器進液口和出液口。通過在引流部件21的第三通道和第四通道上設置分別設置單向閥，一旦plc控制器控制反沖洗過程啟動，則過濾器的進液口和出液口同時封閉，過濾流程自動停止，進而可以簡化過濾器的反沖洗啟動流程。

進一步地，所述過濾器1的底部與排污單向閥12連接。當反沖洗過程啟動后，過濾器上的濾渣可以隨著液體從排污單向閥排出。

此外，本發明實施例還提供了一種基于流固耦振的高水基過濾系統反沖洗裝置的反沖洗方法，包括以下步驟：

s01、實時測量過濾器進液口和出液口的液體壓力，當壓力差達到設定值或過濾時間達到設定值時，通過plc控制器發出控制信號控制反沖洗裝置的控制閥門開啟；

s02、plc控制器通過調節所述節流閥8的閥口開度，來改變進入反沖洗裝置的流量，使所述濾芯11處于不同的耦合振動模態；

s03、plc控制器控制所述插裝閥20的a出液口和b出液口交替導通，a出液口導通時，反沖液進入順時針射流管18，并從所述順時針射流孔22噴射出對濾芯進行沖洗，并推動濾芯使其順時針旋轉；b出液口的導通時，反沖液進入逆時針射流管19，并從所述逆時針射流孔23噴射出對濾芯進行沖洗，并推動濾芯使其逆時針旋轉；

s04、當反沖洗時間達到設定值時，plc控制器發出控制信號控制反沖洗裝置的控制閥門關閉。

其中，所述步驟s03中，插裝閥20的a出液口和b出液口的交替導通時間為20～30s，交替導通次數為2～4次，即順時針旋轉沖洗和反時針旋轉沖洗時間分別為20～30s，順時針旋轉沖洗和反時針旋轉沖洗的次數總共為2～4次。

其中，所述步驟s02的具體過程為：

s021、在plc控制器中，設定多個與耦合振動模態相關的流量值，以及對應流量值的沖洗時間；

s022、通過調節所述節流閥8的閥口開度，使進入反沖洗裝置的實際流量達到第一個設定流量值，并通過流量計9判斷是否調節到位，若沒有到位，繼續調節，直至設定實際流量與設定流量達到一致；

s023、第一個設定流量值對應的沖洗時間完成后，調節所述節流閥8的閥口開度，使進入反沖洗裝置的實際流量達到第二個設定流量值，同樣通過流量計9判斷是否調節到位，以此循環，直至所有設定流量值對應的沖洗時間完成。

本發明的工作原理和工作流程如下：

1、過濾器處于正常過濾狀態時，從低壓大流量泵7輸出的高水基液壓油經三位四通換向閥5左位進入執行元件液壓支架立柱24，高水基液壓油從液壓支架立柱24流出后從過濾器進液口pin進入過濾器1，高水基液壓油從濾芯11周圍經過濾進入濾芯11內部，經過濾后的高水基液壓油經由濾芯11內部、通過濾芯11頂部的出液通道從出液口pout返回油箱，過濾器內的高水基液壓油流向如圖2所示。

2、隨著過濾時間的增長，濾芯11上黏附雜質逐漸積累形成濾餅影響過濾器1的過濾效率，分別連接在進液口pin和出液口pout上的壓力計2和壓力計3的壓差上升，當壓差值達到plc控制器10的設定值時，plc控制器10發出指令信號接通電磁換向閥4；此外，plc控制器也可以在過濾時間達到設定值時發出指令信號接通兩位兩通電磁換向閥4，還可以通過手動控制按鈕14來打開電磁換向閥4，開始進行反沖洗清洗。

3、兩位兩通電磁換向閥4打開后，反沖洗高水基液壓油從高水基液壓泵6輸出后，經兩位兩通電磁換向閥4通過反沖洗高壓接頭13進入引流部件21，進入引流部件21后反沖洗高水基液壓油分成三股液流，其中進入第二通道的一股液流進入射流儲液腔17，從射流儲液腔17進入射流管18或19，分別進入第三通道和第四通道的另外兩股液流推動單向閥15和16分別壓緊過濾器進液口pin和過濾器出液口pout，使過濾器停止過濾，同時排污單向閥12在高壓作用下自動開啟。

4、在plc控制器的控制下，插裝閥20的a出液口和b出液口交替導通，反沖洗高水基液壓油進入順時針射流管18或逆時針射流管19后，從順時針射流孔22或逆時針射流孔23噴出，以一定的壓力直接沖洗濾芯11，從射流孔噴出的高水基液壓油的射流速度、射流沖擊力以及射流孔截面前后的節流壓差可通過調節進入過濾器高壓反沖洗接頭13的流量控制；

射流孔截面前后壓力降計算公式為：

式(1)中，δp為噴嘴節流壓差，單位為pa，ρ為射流介質密度，單位為kg/m³，q為射流孔射流量，單位為m³/s，cd為流量系數，d為噴嘴直徑，單位為m，

射流速度計算公式為：

式(2)中，δp為噴嘴節流壓差，單位為pa，ν為射流速度，單位為m/s，ν1為射流介質射流管中的速度，單位為m/s，ρ為射流介質密度，單位為kg/m³，ψ為速度系數；

射流沖擊力計算公式為：

式(3)中，f為射流沖擊力，單位為n，q為射流孔射流流量，單位為m³/s，a為射流孔面積，單位為m²，ρ為射流介質密度，單位為kg/m³，n為射流孔數量。

5、濾芯11在射流沖擊力的激勵作用下會產生振動，同時濾芯11的振動又會反過來影響從射流管上的射流孔射出的液流的運動，濾芯11的振動與反沖洗高水基液壓油沖擊的相互作用引起流固耦合振動，濾芯流固耦合振動方程為：

式(4)中，ms為濾芯質量矩陣，cs為濾芯阻尼矩陣，ks為濾芯剛度矩陣。mf為高水基液壓油質量矩陣，cf為高水基液壓油阻尼矩陣，kf為高水基液壓油剛度矩陣。b為流固耦合矩陣，u為濾芯振動位移，p為高水基液壓油壓力，ρ為高水基液壓油密度，fs為濾芯節點受到的動載荷向量。由式(4)可知，在濾芯質量及其剛度一定的情況下，影響濾芯振動模態的因素主要為高水基液壓油的壓力，及濾芯受到的動載荷向量，其中p、fs均可由流量調節，當流量不變時，射流管上射流孔的角度、數量以及孔徑大小會對振動模態產生較大影響。

因此，由公式(1)～(4)可以知道，流固耦合振動的振動模態與流量密切相關，通過調節節流閥8的閥口開度對進入濾芯的流量進行改變，不僅可以控制射流孔的射流沖擊力和射流速度，還可以使濾芯在不同的激勵作用下表現出不同的振動模態，如圖5所示，在不同的耦合振動模態的激勵下，可以使濾餅雜質更快更徹底的從濾芯11表面脫離；此外，濾芯11由于受到射流沖擊力的作用從而產生旋轉運動，順時針射流管和逆時針射流管分別使濾芯沿順時針旋轉或沿逆時針旋轉，濾餅雜質在旋轉離心力的作用下容易從脫離濾芯11表面脫落，濾餅在濾芯11的流固耦合振動和正反轉旋轉作用下更容易被反沖洗高水基液壓油沖洗干凈，雜質隨著高水基液壓油從過濾器底部的排污單向閥12排出到污物收集箱25。

6、反沖洗時間達到設定值時，plc控制器10輸出信號使兩位兩通電磁換向閥4斷開，排污單向閥12在復位彈簧作用下關閉，回液單向閥15和16在復位彈簧作用下復位，過濾器進液口和出液口同時打開，過濾器開始正常過濾。

本發明通過在過濾器內設置順時針射流管和逆時針射流管，該射流管上沿豎直方向設置有多個射流孔，使得在反沖洗時，高水基液壓油可以通過射流管上的射流孔噴射到濾芯上，引起濾芯振動，濾芯振動又影響射流孔中射出的高壓液流的運動，進而濾芯與反沖洗高水基液壓油之間的相互作用引起流固耦合振動，通過plc控制器控制節流閥來調節輸入流量的大小，可實現對射流沖擊力以及射流速度的控制，使濾芯在不同的射流速度和射流沖擊力激勵下表現出不同的耦合振動模態，提高了反沖洗的效率。同時，濾芯通過軸承與過濾器連接，則其在受到切向沖擊力的情況下可以發生高速旋轉運動，無需外接動力裝置；并且，順時針射流管和逆時針射流管可以使濾芯分別沿順時針和逆時針方向旋轉，則在流固耦合振動以及正反旋轉的作用下可以加快濾芯表面上的濾餅雜質逐漸脫離濾芯表面的速度，使雜質隨著高水基液壓油從過濾器底部的排污單向閥排出，進一步地提高了反沖洗的效果，并簡化了過濾器的結構，反沖洗控制方式簡單高效，反沖洗效率高。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。