負載敏感系統(tǒng)煤礦用防爆三聯(lián)電磁換向閥組的設(shè)計研究

(中國煤炭科工集團 太原研究院，山西 太原 030006)

引言

負載敏感控制系統(tǒng)減小了系統(tǒng)的節(jié)流損失和溢流損失，功率損耗低，效率遠高于常規(guī)液壓系統(tǒng)[1-4]。負載敏感系統(tǒng)提供了良好的操作控制方式，簡單可靠，單個負載敏感泵與負載敏感比例多路閥的組合使整個液壓系統(tǒng)具有按照多個載荷回路、多個執(zhí)行元件的壓力和流量需求而提供各個回路、各個執(zhí)行元件所需的壓力和流量的特性[5-10]。該系統(tǒng)已在如掘進機、掘錨機、錨桿機、巷修機等煤機裝備上廣泛使用。目前，在需要遙控操作的煤機裝備上，都采用負載敏感泵與煤安認證的負載敏感比例多路閥的組合方式設(shè)計液壓系統(tǒng)。在整機所有動作中，部分動作需要組合動作，而部分動作無需組合動作，當所有動作的控制都采用帶煤安認證的負載敏感比例多路閥進行控制，則該系統(tǒng)明顯存在過渡設(shè)計的問題；由于國內(nèi)外具備煤安認證的負載敏感比例多路閥價格都較高，遙控操作的煤機裝備液壓系統(tǒng)成本居高不下。設(shè)計生產(chǎn)的巷道修復(fù)機的所有動作都要求遙控操作，其中反鏟破碎裝置中動臂升降、中間臂升降、抖桿升降、挖斗伸縮四個動作要求組合動作流量互不影響，而后支撐升降、鏟板升降、鉆臂伸縮、鉆臂升降等動作可單獨動作，當所有動作都采用煤安認證的負載敏感電比例多路閥進行控制存在過渡設(shè)計和成本居高的問題。本研究開發(fā)一種適用于煤礦井下遠程遙控控制的負載敏感泵系統(tǒng)的電磁多路換向閥組，代替MA認證的負載敏感電比例多路閥，該閥組不僅滿足遠程控制裝備動作的功能要求，同時有效降低了負載敏感液壓系統(tǒng)的成本。

1 負載敏感電磁多路換向閥組原理設(shè)計

根據(jù)礦用遠程控制負載敏感系統(tǒng)的控制特點，負載敏感電磁多路換向閥組的設(shè)計要求包括6部分：

(1) 多個換向控制閥、功能閥集成式設(shè)計；

(2) 換向閥的換向控制采用電磁控制換向；

(3) 具有節(jié)流調(diào)速功能；

(4) 應(yīng)用于負載敏感系統(tǒng)，具有閥組與負載敏感泵的匹配具有負載敏感系統(tǒng)的壓-流特性優(yōu)點，即負載敏感泵根據(jù)負載、執(zhí)行機構(gòu)所需壓力和流量提供相應(yīng)的壓力和流量；

(5) 閥組具有限最高壓功能；

(6) 執(zhí)行機構(gòu)不動作時，系統(tǒng)不能高壓待機。

根據(jù)其閥組6個功能要求及負載敏感系統(tǒng)特性，設(shè)計了負載敏感電磁三聯(lián)換向閥組原理圖及閥組與負載敏感電比例多路閥并聯(lián)的負載敏感系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。對三聯(lián)閥組的原理詳細解釋如下：三聯(lián)電磁換向閥組由3個換向聯(lián)與功能首聯(lián)組成；換向聯(lián)由電磁換向閥1、單向節(jié)流調(diào)速閥2、單向閥3組成；電磁換向閥具備電控換向功能，使系統(tǒng)可以遠程遙控控制；單向節(jié)流調(diào)速閥具有液體正向節(jié)流調(diào)速反向正常流動的功能，使執(zhí)行機構(gòu)動作的速度可以根據(jù)需要進行調(diào)整；2個單向閥分別引出A、B口的壓力作為負載反饋壓力LS,三聯(lián)換向閥組中6個LS反饋壓力相通，使系統(tǒng)在工作過程中選擇反饋三聯(lián)換向閥中的最高壓力；三聯(lián)換向組中，P、T相通共用；功能首聯(lián)中，溢流閥4負責限制三聯(lián)閥組中反饋壓力的最高壓力；泄油節(jié)流堵5負責卸掉反饋壓力管道中的殘壓。三聯(lián)換向閥組與負載敏感電液比例多路閥并聯(lián)，2組多路閥的LS通過梭閥進行壓力選擇后反饋至負載敏感泵的LS口，2組多路閥組與負載敏感泵采用都負載敏感技術(shù)使所有執(zhí)行動作都被低能耗、高效率的進行控制。

1.電磁換向閥 2.單向節(jié)流調(diào)速閥 3.單向閥 4.溢流閥 5.卸油節(jié)流堵 圖1 三聯(lián)電磁換向閥組與系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2 負載敏感電磁換向閥組系統(tǒng)壓力-流量特性分析

三聯(lián)負載敏感電磁換向閥組原理與單聯(lián)原理一致，為了便于分析，僅對單聯(lián)負載敏感電磁換向閥組系統(tǒng)工作狀態(tài)進行壓力-流量研究，原理圖如圖2所示。

2.1 壓力特性分析

(1) LS閥2的壓力平衡方程為[11-12]：

pP=pLS+FS/A

(1)

式中，pP——負載敏感泵的出口壓力

pLS——負載壓力，即負載反饋至LS閥芯2右端的壓力

A——LS閥2閥芯左端液壓油作用截面積

FS——LS閥2閥芯右端所受彈簧作用力

(2) 當系統(tǒng)處于待機狀態(tài)電磁換向閥未得電未工作時，負載壓力pLS為0，系統(tǒng)待機壓力p0為：

p0=FS/A

(2)

調(diào)節(jié)LS閥彈簧的壓縮行程可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的待機壓力；

(3) 當負載壓力高于切斷壓力時，壓力切斷閥3閥芯平衡方程為：

pd=Fd/Ad

(3)

式中，pd——系統(tǒng)切斷壓力

Fd——壓力切斷閥3閥芯右端所受彈簧作用力

Ad——壓力切斷閥3閥芯橫截面積

從式(2)、式(3)可知，系統(tǒng)待機狀態(tài)和壓力切斷狀態(tài)，系統(tǒng)壓力都恒定為固定值。從式(1)可知，負載壓力無論如何變化，即負載工況變化時，系統(tǒng)輸出壓力始終比負載工況壓力高恒定值FLS/A。

2.2 流量特性分析

當系統(tǒng)正常工作狀態(tài)時，電磁換向閥得電換向閥閥口打開，泵出的壓力油經(jīng)過電磁換向閥、節(jié)流調(diào)速閥2個元件進入執(zhí)行油缸，為便于計算，簡化流通過程，將電磁換向閥和節(jié)流調(diào)速閥視為一個換向節(jié)流閥，此時換向節(jié)流閥的流量方程為：

(4)

式中，Q——系統(tǒng)流量

Cd——流量系數(shù)

ATS——簡化后換向節(jié)流閥流通面積

Δp——前后壓差

ρ——液壓油密度

換向閥閥芯得電動作時閥芯閥口全開且開口面積A4，節(jié)流調(diào)速開口面積A5，調(diào)速時開口變化為0～A5max，選A4等于A5max，則通過兩者的流通面積為：

ATS=A5{0～A5max}

(5)

流經(jīng)電磁換向閥和節(jié)流調(diào)速閥的前后壓差：

Δp=pP-pLS=p0=FS/A

(6)

分析式(3)～式(6)，當調(diào)定A5開口大小后；Δp保持不變恒定為p0，Cd取0.7；ρ為850 kg/m3，分析可知，系統(tǒng)的流量與pLS負載變化無關(guān)，只與調(diào)速閥的開口大小有關(guān)。三聯(lián)電磁換向閥組在負載敏感系統(tǒng)中具備與節(jié)流調(diào)速閥閥口面積A5正相關(guān)的線性調(diào)速性能。系統(tǒng)最小流量為0，從式(4)～式(6)分析可知，系統(tǒng)最大流量Qmax為：

(7)

3 三聯(lián)電磁換向閥組的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

三聯(lián)電磁換向閥組采用板式閥、疊加閥與插裝閥相結(jié)合的方式進行結(jié)構(gòu)布局，使換向閥組集成化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、可靠性高。如圖3所示為設(shè)計的三聯(lián)電磁換向閥組的三維模型圖。電磁換向閥使用板式閥，單向節(jié)流調(diào)速閥使用疊加閥，溢流閥、單向閥、泄油節(jié)流堵使用插裝閥。設(shè)計專用三聯(lián)電磁閥體，其內(nèi)部流道按照原理圖進行流道設(shè)計鉆孔和加工可供板式閥、插裝閥安裝的標準安裝孔，閥塊外部共用P，R，T，A，B，LS口，減少外部膠管數(shù)量。閥組外形尺寸為252 mm×268 mm×254 mm，與三聯(lián)防爆電比例多路閥尺寸257.5 mm×231.5 mm×122 mm相比，長、寬方向相似，高度增加約132 mm變化較大。

圖3 三聯(lián)電磁換向閥組的三維模型圖

3.2 元件選型設(shè)計及制造

三聯(lián)電磁換向閥組主要功能性閥件包括5種合計14個，主要閥件的選型表如表1所示。由于煤礦井下裝備使用帶電元件，必須具有國家認證的MA認證，選用具有MA標志的防爆電磁換向閥使整套閥組可以應(yīng)用于煤礦井下裝備，符合國家煤礦安全嚴格準入要求。單向節(jié)流調(diào)速閥通徑選用與防爆電磁換向閥通徑相同規(guī)格的型號。單向閥僅是對換向閥A、B口的壓力進行取壓，流量盡量小，選用流量僅有3 L/min的單向閥完成取壓功能。由于泄油節(jié)流堵孔徑僅為0.51 mm，因此選用具有防堵過濾功能的泄油節(jié)流堵。

表1 三聯(lián)防爆電磁換向閥組閥件選型統(tǒng)計表

4 實驗測試

三聯(lián)防爆電磁換向閥組制造實物圖如圖4所示。閥組應(yīng)用于2HXYL-120/90煤礦用多功能巷道修復(fù)機(第二代)負載敏感液壓系統(tǒng)中，替代了第一代巷道修復(fù)機中使用的防爆負載敏感電比例多路閥。巷修機液壓系統(tǒng)采用A11VO145負載敏感柱塞變量泵，采用HMG3000手持測量儀對刮板輸送馬達回路流量進行測量。如圖5、圖6所示為井下使用時三聯(lián)防爆電磁換向閥組首聯(lián)刮板輸送馬達回路的壓力曲線圖和流量曲線圖。測試結(jié)果顯示，0～5 s空載和5～10 s帶載工況，負載壓力變化且波動較大時，但系統(tǒng)壓力始終比負載壓力高約0.7 MPa，同時回路流量受負載變化影響較小，流量穩(wěn)定在約40 L/min，滿足設(shè)計要求。

圖4 三聯(lián)防爆電磁換向閥組實物圖

圖5 首聯(lián)刮板輸送回路壓力曲線圖

圖6 首聯(lián)刮板輸送回路測量流量曲線圖

同時該閥組成本僅約為進口元件價格的23%，取代進口元件后，單臺裝備(兩套閥組)節(jié)省成本約5.2 萬元。

5 結(jié)論

本研究分析了煤礦用負載敏感液壓系統(tǒng)的特點及壓流特性，確定了負載敏感用防爆電磁換向閥組的設(shè)計要求，根據(jù)要求設(shè)計了三聯(lián)防爆電磁換向閥組元件原理圖和整個負載敏感系統(tǒng)原理圖；然后對閥組進行三維建模設(shè)計、元件選型，最后介紹了閥組應(yīng)用情況。該閥在煤礦井下裝備首次成功應(yīng)用，解決了遠程遙控控制負載敏感系統(tǒng)過渡設(shè)計問題，同時為礦用負載敏感系統(tǒng)控制提供了成交較低但可靠性較高的解決方案。