液壓支架電液控制閥的壓力損失特性研究

張 賽，譚 震，張德生，加保瑞，朱信龍，杜尚宇

1天地科技股份有限公司 北京 100013

2陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司 陜西榆林 719000

液 壓支架是采煤工作面重要支護(hù)設(shè)備，移架速度作為其重要性能指標(biāo)，是能否實(shí)現(xiàn)即時(shí)支護(hù)和高產(chǎn)高效采煤的關(guān)鍵[1-2]。以平均厚度為 2 m，長度為 400 m 的工作面為例，要達(dá)到年產(chǎn) 1 000 萬 t 的目標(biāo)，須滿足采煤機(jī)速度為 15 m/min、支架跟機(jī)速度為 10 架/min 的要求[3]。而液壓支架供液系統(tǒng)中數(shù)量繁多的閥件以及較長的供液管路會(huì)帶來系統(tǒng)壓力損失大和動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問題，造成支架動(dòng)作緩慢，甚至發(fā)生丟架現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同推進(jìn)速度。

電液控制閥作為支架供液系統(tǒng)中最常使用的閥件，其流量-壓差特性對(duì)整個(gè)供液系統(tǒng)的影響較大[4]。國內(nèi)有學(xué)者對(duì)電液控制閥做過相關(guān)研究，苗壘等人利用 CFD 模擬了電液控制閥的徑向不平衡力和流量壓差特性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的正確性[5]。韓偉采用流體動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算了大流量換向閥的額定流量，基于速度矢量變化分析了閥的流道合理性[6]。

筆者對(duì)液壓支架供液系統(tǒng)中某常用電液先導(dǎo)控制閥的壓力損失進(jìn)行了分析，通過試驗(yàn)測(cè)得了不同流量下的壓力損失，進(jìn)而通過擬合曲線得到了電液控制閥的全流量-壓差特性，修正了理論公式，為液壓支架在不同供液能力情況下的移架速度計(jì)算和仿真提供了較可靠的依據(jù)。

1 電液控制閥工作原理

筆者研究的電液控制閥由電磁先導(dǎo)閥和主控閥組成，通過節(jié)流孔道將主閥和先導(dǎo)閥兩部分聯(lián)系起來。電磁先導(dǎo)閥將電控系統(tǒng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主控單元中相應(yīng)閥芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的精確控制。電液控制閥主控閥結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，閥體采用片式結(jié)構(gòu)。主閥芯結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖1 電液控制閥結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Structural sketch of electro-hydraulic control valve

圖2 主閥芯結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of main spool

當(dāng)先導(dǎo)閥關(guān)閉時(shí)，工作介質(zhì)進(jìn)入上腔遇到阻礙無法流動(dòng)，主閥芯在彈簧預(yù)緊力作用下關(guān)閉，且工作壓力越大，密封越緊。當(dāng)先導(dǎo)閥打開時(shí)，高壓液經(jīng)過主閥和先導(dǎo)閥入口后形成主壓力ps和控制壓力pc，控制壓力推動(dòng)主閥閥芯移動(dòng)，主壓力通過閥口開口形成孔前壓力p0，然后通過滑閥上的小孔形成工作壓力pA。

主閥由于固定節(jié)流孔、閥口開口以及狹窄流道造成液阻。所謂的節(jié)流孔是指細(xì)長的小孔，穩(wěn)態(tài)工況下流道產(chǎn)生壓降，在動(dòng)態(tài)工況下則起到阻尼孔的作用。R1、R2、R3分別為節(jié)流口、閥口開口和小孔的液阻，主閥總液阻R是三者串聯(lián)起來。串聯(lián)液阻的基本特性為

串聯(lián)時(shí)的壓力分配特性和各液阻值有關(guān)，液阻越大，相應(yīng)環(huán)節(jié)的壓降也越大。而直徑和長度是節(jié)流孔的基本參數(shù)，當(dāng)長徑比在 0.5～ 4.0 之間時(shí)，稱為短孔，當(dāng)長徑比大于 4.0 時(shí)，稱為細(xì)長孔[7]。

常規(guī)計(jì)算中，短孔的壓差流量計(jì)算公式和薄壁小孔類似，

式中：qS為短孔流量；Cd為流量系數(shù)，雷諾數(shù)較大時(shí)，基本穩(wěn)定在 0.8 附近；A0為短孔截面積；ΔpS為孔口壓差；ρ為液體密度。

對(duì)于細(xì)長孔，其壓差流量的計(jì)算類似液體流經(jīng)圓管，

式中：qL為細(xì)長孔流量；d為細(xì)長孔直徑；μ為液體黏度；l為細(xì)長孔長度；ΔpL為孔口壓差。

對(duì)于存在固定節(jié)流孔、閥口開口以及狹窄流道等多種孔道的電液控制閥，根據(jù)式 (1)，整閥壓力損失Δp可等效表示為多個(gè)長、短孔的壓力損失之和，

式中：n為短孔數(shù)；k為細(xì)長孔數(shù)。

由于電液控制閥的壓差流量特性主要取決于各大小流道的壓差流量特性，其壓差-流量公式可等效歸納為

式中：q為電液控制閥流量；Kv為等效流量系數(shù)，由閥體中流道的數(shù)量、形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)；m為由流道長度和直徑?jīng)Q定的指數(shù)。

2 流量-壓差特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

為探明電液控制閥的壓力損失特征，根據(jù)電液控制閥的工作原理，構(gòu)建了流量-壓差特性試驗(yàn)平臺(tái)，如圖 3 所示。試驗(yàn)平臺(tái)由泵站、流量計(jì)、壓力傳感器及被試閥件等組成。該試驗(yàn)臺(tái)在泵的出口設(shè)置溢流閥，泵的出口與電磁閥 P 口相連，液體經(jīng)過閥體流道從閥的 A 口回油箱，在閥的 P 口、A 口各接有壓力傳感器，通過 2 個(gè)壓力傳感器的差值獲得壓差 Δp。

圖3 流量-壓差試驗(yàn)臺(tái)原理Fig. 3 Principle of test bench for flow and differential pressure

為了滿足電磁控制閥的實(shí)際工況，試驗(yàn)使用 2%(質(zhì)量比) 濃度的乳化液作為介質(zhì)，由于要盡量測(cè)得最大范圍的壓差值，而單臺(tái)泵難以實(shí)現(xiàn)大流量工作條件，通過大小流量泵組合搭配可測(cè)試 800 L/min 大流量工況下的流量-壓差特性。通過高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲取不同流量下 P-A 口的壓力數(shù)據(jù)，從而得到電磁閥的流量-壓差特性曲線。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前需要對(duì) 2 個(gè)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

按照試驗(yàn)方案正確連接試驗(yàn)管路，如圖 4 所示，設(shè)備連接完成后啟動(dòng)泵站。為得到高置信度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)過程中將閥在 100～ 600 L/min 流量范圍內(nèi)分為 10種工況，通過流量控制柜開閉各泵并調(diào)節(jié)輔助泵以控制流量大小，待流量表讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄壓力傳感器數(shù)值。每種工況多次測(cè)量數(shù)據(jù)并取平均值。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 4 Test system

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到如圖 5 所示的 500 L 電液控制閥流量-壓差特性曲線。隨著電液控制閥通過流量的增大，閥 P-A 口的壓差也隨之增大，并且隨著流量的不斷增大，壓差上升的速度逐漸變小。

圖5 500 L 電液控制閥流量-壓差特性曲線Fig. 5 Characteristic curve of flow and differential pressure of 500 L electro-hydraulic control valve

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泵站供液流量為 600 L/min時(shí)，主閥壓力損失約為 11.5 MPa，壓力損失非常明顯。而在電磁閥公稱流量條件下，測(cè)得閥口壓力損失大于 8 MPa，大于 GB 25974.3—2010 規(guī)定的公稱流量大于 250 L/min 的閥，進(jìn)回液壓力損失應(yīng)不大于 7 MPa 的限制條件[8]。此時(shí)壓力損失變得不可忽略，在對(duì)液壓支架供液系統(tǒng)性能分析時(shí)，需仔細(xì)考慮這部分壓力損失。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的 10 組壓力-流量數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)流量-壓差符合

從擬合公式可知，該受測(cè)電液控制閥的等效流量系數(shù)Kv=169.77，指數(shù)m=0.524，流量壓差曲線擬合殘差為 0.997 6。通過該壓差-流量特性擬合曲線，可獲得全流量下閥口壓差特征，較好預(yù)測(cè)任一流量下的壓差。

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)某電液控制閥的壓力損失進(jìn)行了理論分析，并通過試驗(yàn)研究實(shí)測(cè)了多工況下的壓差，得到了電液控制閥全流量-壓差特性曲線，確定了理論公式中等效流量系數(shù)。

(2) 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的全流量-壓差曲線與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，通過該公式可以預(yù)測(cè)任一流量下的壓差，使理論計(jì)算結(jié)果更接近工程實(shí)際。

(3) 液壓支架電液控制閥實(shí)測(cè)的壓力損失與流量正相關(guān)，尤其大流量供液時(shí)，壓力損失非常明顯，而在 500 L/min 公稱流量下，此主閥的壓力損失大于 8 MPa，較大的壓力損失會(huì)削弱液壓支架的移架性能，壓力損失不可忽略。