露天礦用鉆機(jī)平衡閥組設(shè)計(jì)

孫忠志，姜 鵬，潘洪濤，王占武，李 壯

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.遼寧北辰液壓氣動有限公司，遼寧 阜新 123000；3.鞍山精準(zhǔn)光學(xué)掃描技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

液壓平衡閥是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)重要元件之一，對工程機(jī)械整機(jī)的工作平穩(wěn)性、可靠性和系統(tǒng)效率有著重要的影響。平衡閥可以限制負(fù)載下降的速度，又可實(shí)現(xiàn)微調(diào)及任意可控在空間某一高度上停止而沒有一絲下滑現(xiàn)象。例如露天礦用鉆機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)，若無平衡閥，機(jī)構(gòu)就會在負(fù)載的作用下產(chǎn)生超速下降、無法控制、出現(xiàn)危險現(xiàn)象等。帶載越大，這種危險就越大。同樣，在全液壓行走系統(tǒng)中（開式系統(tǒng)），在下坡中也會產(chǎn)生超速下滑的危險，因此也需要使用平衡閥[1]。尤其在露天礦山開采的工程機(jī)械中使用更為頻繁，現(xiàn)在露天礦山開采設(shè)備使用的驅(qū)動系統(tǒng)絕大多數(shù)都為全液壓驅(qū)動，各個負(fù)載變化波動較大的執(zhí)行元件均需要安裝平衡閥組，來保證設(shè)備的安全運(yùn)行。為此，以LWD-200 系列鉆機(jī)為例，對各個元件的平衡閥組進(jìn)行詳細(xì)分析設(shè)計(jì)。

1 平衡閥

1.1 平衡閥工作原理

平衡閥結(jié)構(gòu)圖如圖1，液壓平衡閥允許油液從閥口II 到閥口I 自由流通，當(dāng)閥口II 油液壓力比閥口I 壓力大時，閥芯在液壓力的驅(qū)動下向閥口I 移動，單向閥打開，油液可以從閥口II 流至閥口I。閥口I 至閥口II 的液流是被截止的，直到先導(dǎo)口的壓力達(dá)到一定值把閥芯向上移動，使閥口開啟，油液才從閥口I 向閥口II 流動。當(dāng)先導(dǎo)壓力不足以開啟閥芯時，閥口關(guān)閉。閥口I 至閥口II 液流被截止[2]。

1.2 平衡閥的主要作用

1）負(fù)載保持。平衡閥可以阻止液壓缸的下移運(yùn)動，平衡閥允許操作者以一定的速度提升重物并保持在某一位置。

圖1 平衡閥結(jié)構(gòu)圖

2）負(fù)載控制。平衡閥可以防止由于執(zhí)行元件負(fù)載的能量，而引發(fā)先于液壓泵的動作而產(chǎn)生的動作，從而消除了執(zhí)行元件的氣穴現(xiàn)象和負(fù)載失控現(xiàn)象。

3）安全負(fù)載。當(dāng)液壓油路中的管路爆裂或嚴(yán)重泄漏時，安裝在執(zhí)行元件上的平衡閥可以阻止移動載荷的失控發(fā)生[3]。

1.3 平衡閥應(yīng)用和先導(dǎo)比的選擇原則

平衡閥的溢流設(shè)定值一般為1.3 倍的最高工作壓力，但是開啟先導(dǎo)閥的要求壓力取決于先導(dǎo)比，為了優(yōu)化載荷控制和能量利用，可以參照如下方法選擇先導(dǎo)比[4]：①2.5∶1 當(dāng)載荷極不穩(wěn)定時選用，例如長臂吊車；②5∶1 應(yīng)用于載荷變化并對機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響時；③10∶1 應(yīng)用于載荷相對穩(wěn)定的的應(yīng)用場合。

2 露天礦用鉆機(jī)平衡閥的選型

國內(nèi)目前常使用的平衡閥為華德公司生產(chǎn)的FD 系列平衡閥，結(jié)構(gòu)大、笨重、不能實(shí)現(xiàn)油路內(nèi)部控制，而且不能實(shí)現(xiàn)雙作用控制[5]。

露天礦用鉆機(jī)選用美國Sun Hydraulics Corporation公司（以下簡稱SUN）生產(chǎn)的CB 系列平衡閥。SUN是生產(chǎn)液壓螺紋插裝閥的專業(yè)廠家，跟傳統(tǒng)的板式液壓閥相比，SUN 公司的螺紋插裝閥具有結(jié)構(gòu)緊湊，減少管路連接等特點(diǎn)，目前，在國外的工程機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。SUN 公司平衡閥具有多系列流量和多級導(dǎo)壓比可選，并且泄漏量?。◤?fù)位時最大內(nèi)漏量為0.4 mL/min），動作靈敏，工作可靠，可以滿足鉆機(jī)的各種流量和導(dǎo)壓比要求。從而保證鉆機(jī)在實(shí)際使用中需求。同時插裝閥便于集成化設(shè)計(jì)，可以將多個功能的插裝閥集成在1 個液壓油路塊中，滿足各種負(fù)載工況的需求。如在平衡閥組中可以增設(shè)溢流閥、減壓閥、梭閥、測壓口等，從而使液壓系統(tǒng)更集成化，安裝更方便化，維修更簡單化。

結(jié)合露天礦用鉆機(jī)的實(shí)際工作情況，發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)在實(shí)際工作時，多個執(zhí)行元件負(fù)載變化較大，例如鉆架舉升油缸、支腿油缸、推進(jìn)油缸、行走液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)等。針對油缸類和液壓馬達(dá)類平衡閥組分別進(jìn)行詳細(xì)分析研究。

3 露天礦用鉆機(jī)平衡閥組

3.1 油缸類平衡閥組

在鉆機(jī)支腿油缸、鉆架舉升油缸、推進(jìn)油缸之路均需安裝雙向平衡閥，從而確保油缸的運(yùn)行平穩(wěn)。鉆機(jī)油缸負(fù)載波動較大，應(yīng)選用導(dǎo)壓比為2.5 ∶1 的平衡閥。油缸類平衡閥組原理圖如圖2。

圖2 油缸類平衡閥組原理圖

當(dāng)平衡閥A1 進(jìn)油時候，油液通過單向閥進(jìn)入到平衡閥的A2 口，從而液壓油缸內(nèi)，推動液壓油缸運(yùn)動，同時，A1 測的壓力油通過液壓閥塊的液壓油道作用于另一個平衡閥的B3 控制口，右側(cè)平衡閥在B2 處壓力油和B3 處壓力油共同作用下打開，從而使油液可以從B2 流向B3，完成油缸的動作。保證油缸回油處存在背壓，保證油缸運(yùn)行的平穩(wěn)[6]。

當(dāng)A1 或B1 側(cè)發(fā)生故障時，例如液壓管路爆管時，A2 或B2 側(cè)壓力瞬間消失掉，此時，單向閥瞬間關(guān)閉，從而能夠保證2 到A1 或B1 側(cè)油液流動被阻止，保證油缸不能下移。

當(dāng)負(fù)載運(yùn)行角度達(dá)到90°之后時，機(jī)械負(fù)載會在重力作用下，有快速下降的趨勢。如果沒有平衡閥的保護(hù)，會產(chǎn)生失速現(xiàn)象，是設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，嚴(yán)重情況時，還會發(fā)生安全事故。但當(dāng)安裝平衡閥后，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的重力負(fù)載帶動油缸運(yùn)動，此時平衡閥組A1 測壓力較小，作用在B3 測的控制油也較小，右側(cè)平衡閥不能被打開，此時，只有當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的壓力B2 達(dá)到右側(cè)平衡閥設(shè)定的最大彈簧力時，能夠克服彈簧力打開右側(cè)平衡閥，才能保證允許液壓油缸緩慢運(yùn)動。如果將右側(cè)平衡閥的彈簧力調(diào)定的大于機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大負(fù)載力，機(jī)械結(jié)構(gòu)就不會運(yùn)動，能確保機(jī)械結(jié)構(gòu)在任何位置固定。

3.2 馬達(dá)類平衡閥組

工程機(jī)械行走馬達(dá)都必須安裝平衡閥組，其基本功能與油缸類平衡閥組基本一致。由于行走負(fù)載波動較小，常選用導(dǎo)壓比為10∶1 的平衡閥。

在工程機(jī)械馬達(dá)行走系統(tǒng)中常配有剎車制動系統(tǒng)，保證液壓系統(tǒng)不工作時，如在陡坡中停車時，剎車制動系統(tǒng)行使作用，將行走減速機(jī)抱死，防止出現(xiàn)工程機(jī)械溜車現(xiàn)象的發(fā)生，保證工程機(jī)械殺剎車的可靠性。但當(dāng)工程機(jī)械行走時，首先需要給剎車制動油缸1 個小壓力（常小于40 ×105Pa）的控制油，從而克服制動油缸的彈簧力，使剎車制動系統(tǒng)打開，讓工程機(jī)械自由行走。傳統(tǒng)的工程機(jī)械需要單獨(dú)設(shè)置1 路控制油進(jìn)入剎車系統(tǒng)，來控制剎車制動系統(tǒng)。

馬達(dá)類平衡閥組原理圖如圖3。

圖3 馬達(dá)類平衡閥組原理圖

無論A1 側(cè)還是B1 側(cè)進(jìn)油，高壓油都可通過梭閥進(jìn)入到減壓閥，經(jīng)過減壓閥減壓后將低壓的控制油輸送到剎車制動系統(tǒng)，從而打開鉆機(jī)的抱閘。保證鉆機(jī)的正常行走?？偠灾?，只要控制馬達(dá)行走之路有高壓油時，剎車制動就及時打開，馬達(dá)開始自由行走，當(dāng)換向閥關(guān)閉后，馬達(dá)總走之路不再有高壓油時，剎車制動馬上抱死，從而保證機(jī)械的安全可靠性。同時還可根據(jù)不同要求，在平衡閥組中插裝其他類插裝閥，起到溢流保護(hù)功能的溢流閥[7]，從而防止液壓系統(tǒng)超載對馬達(dá)造成損壞。

4 露天礦用鉆機(jī)平衡閥組的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)的平衡閥組液壓原理圖，對液壓平衡閥組進(jìn)行加工制造，并將設(shè)計(jì)好的平衡閥組在LWD-200 系列鉆機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的FD 系列平衡閥相比，鉆機(jī)舉升油缸等油缸運(yùn)行平穩(wěn)，無顫動現(xiàn)象，而且可以在任意位置停止，并長時間保持穩(wěn)定性。

行走馬達(dá)平衡閥組，在鉆機(jī)下坡行走時，也能保證鉆機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，鉆機(jī)制動時，制動效果安全可靠，當(dāng)鉆機(jī)行走時，剎車制動系統(tǒng)迅速打開，無須其他操作，簡化了鉆機(jī)的操作流程，滿足了鉆機(jī)整體設(shè)計(jì)要求[8]。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)與長時間應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，CB 系列平衡閥組故障率低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成化等優(yōu)點(diǎn)更適用于目前露天礦山工程機(jī)械，使用CB 系列平衡閥后鉆機(jī)生產(chǎn)與維修效率都明顯提高，CB 系列集成插裝式平衡閥組在更多的露天礦山設(shè)備上得到更廣的應(yīng)用。