礦用綜采面大流量本安電磁補(bǔ)水閥的設(shè)計

黃帥

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 前言

隨著時代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新科技不斷和傳統(tǒng)行業(yè)相加，我國煤炭工業(yè)也在不斷發(fā)展，綜采工作面供液系統(tǒng)完成了由機(jī)械化到自動化的技術(shù)革新，正在逐步向無人化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。目前國內(nèi)綜采工作面供液系統(tǒng)主要采用高水基乳化液作為傳動介質(zhì)，供液電控系統(tǒng)多為本質(zhì)安全型，其中使用的電磁補(bǔ)水閥多為進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴。國內(nèi)同類型電磁補(bǔ)水閥防爆等級為Ⅱ類，額定電壓高，且額定工作壓力低，不能滿足使用要求。為使智能工作面供液系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)中電磁補(bǔ)水閥的性能尤為關(guān)鍵。

1 綜采集成供液系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

綜采工作面集成供液系統(tǒng)需監(jiān)控系統(tǒng)流量、壓力等供液參數(shù)，采用傳感器、電磁卸荷閥、電磁補(bǔ)水閥等元器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠在自動化開采條件下及時為綜采工作面提供所需要的供液流量和壓力。綜采集成供液系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在管路供液、乳化液配比子系統(tǒng)中需進(jìn)行水質(zhì)、流量、液箱液位高度等方面的監(jiān)測，以穩(wěn)定供液系統(tǒng)的運(yùn)行。其中，作為綜采集成供液系統(tǒng)重要的補(bǔ)水控制元件——電磁補(bǔ)水閥，是集成供液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動控制的基礎(chǔ)，該元件的隔爆性能及可靠性對于綜采集成供液系統(tǒng)具有重要意義。

圖1 綜采集成供液系統(tǒng)架構(gòu)

2 補(bǔ)水閥的工作原理

設(shè)計的補(bǔ)水閥為大流量先導(dǎo)式本安電磁補(bǔ)水閥，主要由主閥、二位二通先導(dǎo)球閥、本安電磁鐵和控制推桿組件組成，其液壓工作原理如圖2所示。在綜采智能集成供液系統(tǒng)中，電磁補(bǔ)水閥的進(jìn)口P與出口T分別與集成供液系統(tǒng)的進(jìn)水管、出水管相連。當(dāng)系統(tǒng)需要供液時，本安電磁鐵通電，二位二通先導(dǎo)球閥處于右位，主閥彈簧腔內(nèi)液體通過節(jié)流孔進(jìn)入出口T，使主閥閥芯兩端產(chǎn)生壓力差，克服彈簧力使電磁補(bǔ)水閥閥芯打開，主閥進(jìn)口P與出口T相通，系統(tǒng)開始供液；當(dāng)系統(tǒng)無需供液時，本安電磁鐵斷電，二位二通先導(dǎo)球閥處于左位，主閥彈簧腔內(nèi)液體無法流出，主閥閥芯兩端壓力相等，彈簧力使主閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)停止供液。

圖2 液壓原理

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到目前二位二通電磁補(bǔ)水閥存在的一些缺點(diǎn)，文中所述的電磁補(bǔ)水閥選用的電磁鐵防爆型式為本質(zhì)安全型，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可與本安控制系統(tǒng)直接配套；控制推桿組件采用杠桿原理放大電磁鐵推力，可有效解決本安型電磁鐵推力小的問題；先導(dǎo)部分為二位二通球閥，采用先導(dǎo)液控原理，使此補(bǔ)水閥具有大流量、高可靠的性能。電磁補(bǔ)水閥整體采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)實(shí)際需要，改變主閥的壓力和流量等級，以滿足不同工況的需求，具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電磁補(bǔ)水閥結(jié)構(gòu)圖

3.1 主閥

對于主閥部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主閥閥體為長方體閥塊，主閥閥體左側(cè)面為主閥閥芯安裝孔，右側(cè)面為進(jìn)液P口，下側(cè)面為出液T口。主閥閥體內(nèi)部安裝彈簧Ⅰ、主閥閥芯及主閥閥座，密封圈及導(dǎo)向環(huán)安裝在主閥閥芯上，主要起密封和導(dǎo)向作用，主閥閥芯中間設(shè)有彈簧腔，彈簧Ⅰ安裝在彈簧腔內(nèi)，壓蓋壓縮彈簧Ⅰ通過螺栓固定在主閥閥體左端；主閥閥芯右端安裝阻尼螺釘，阻尼螺釘中間設(shè)有阻尼孔，用于增大電磁閥P口與彈簧腔之間的壓差，當(dāng)主閥閥芯錐面與主閥閥座重合時，電磁補(bǔ)水閥P口和T口處于斷開狀態(tài)，當(dāng)主閥閥芯錐面與主閥閥座分開時，電磁補(bǔ)水閥P口和T口處于相通狀態(tài)。主閥閥體上側(cè)面為二位二通先導(dǎo)閥安裝面，并設(shè)有P1口和T1口，P1口直接與主閥彈簧腔相通，T1口通過工藝孔1、工藝孔2與T口相通。

圖4 主閥結(jié)構(gòu)

3.2 二位二通先導(dǎo)球閥

二位二通先導(dǎo)球閥其結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括先導(dǎo)閥閥體、閥芯套、陶瓷球閥芯Ⅰ、導(dǎo)向座、閥桿、先導(dǎo)閥閥座、陶瓷球閥芯Ⅱ、彈簧座、彈簧Ⅱ、彈簧套和密封組件。先導(dǎo)閥閥體為凸型，閥芯套通過螺紋連接安裝在先導(dǎo)閥閥體內(nèi)，閥芯套上設(shè)置有內(nèi)孔，內(nèi)孔由右向左依次安裝陶瓷球閥芯Ⅰ、導(dǎo)向座、先導(dǎo)閥閥座以及彈簧套；裝有密封圈的彈簧套通過螺紋連接安裝在閥芯套內(nèi)孔最外端，彈簧Ⅱ安裝在彈簧套內(nèi)，彈簧座壓縮彈簧Ⅱ安裝在閥芯套內(nèi)孔內(nèi)部；陶瓷球閥芯Ⅱ安放在彈簧座左側(cè)端凹槽內(nèi)，并與先導(dǎo)閥閥座緊密密封，陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)與彈簧套之間形成密封的彈簧套內(nèi)腔；陶瓷球閥芯Ⅰ安放在閥芯套內(nèi)孔的最內(nèi)側(cè)，陶瓷球閥芯Ⅰ與陶瓷球閥芯Ⅱ之間設(shè)置閥桿，閥桿大小徑兩端裝有密封圈，與導(dǎo)向套之間形成密封的導(dǎo)向套內(nèi)腔；閥芯套外圈設(shè)有多處密封槽，密封組件安裝在閥芯套外圈密封槽內(nèi)，與閥芯套安裝孔內(nèi)徑形成多處密封環(huán)。并且二位二通先導(dǎo)閥閥體下側(cè)面為安裝面，設(shè)置有P2口和T2口與主閥上側(cè)面P1口和T1口相通。

圖5 二位二通先導(dǎo)球閥

3.3 控制桿件

控制桿組件結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括控制桿座、轉(zhuǎn)向定位銷、控制桿、調(diào)節(jié)螺釘、防松螺母、螺堵Ⅰ、螺堵Ⅱ；控制桿通過轉(zhuǎn)向定位銷安裝在控制桿座內(nèi)，控制桿上安裝有調(diào)節(jié)螺釘，可以上下調(diào)節(jié)螺釘預(yù)緊高度，防松螺母安裝在調(diào)節(jié)螺釘上，用于固定調(diào)節(jié)螺釘預(yù)緊高度，控制桿可帶動調(diào)節(jié)螺釘圍繞轉(zhuǎn)向定位銷在固定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

圖6 控制推桿組件

控制推桿組件結(jié)構(gòu)采用杠桿原理如圖7所示，由力矩平衡可得：

圖7 杠桿原理示意

×=×

(1)

式中：為電磁鐵的推力；為調(diào)節(jié)螺栓壓力；為動力臂(電磁鐵推桿到轉(zhuǎn)向定位銷的距離)；為阻力臂(轉(zhuǎn)向定位銷到調(diào)節(jié)螺栓的距離)。

由公式(1)可知：當(dāng)>>時，為省力杠桿，以此來彌補(bǔ)本安電磁鐵額定電壓低、推力小的缺點(diǎn)。

當(dāng)本安電磁鐵通電工作時，本安電磁鐵產(chǎn)生推力帶動控制桿圍繞轉(zhuǎn)向定位銷逆時針向上運(yùn)動，通過杠桿原理，調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生向下壓力，并克服二位二通先導(dǎo)球閥中彈簧Ⅱ的壓縮力，壓迫陶瓷球閥芯Ⅰ、閥桿、陶瓷球閥芯Ⅱ一起向下運(yùn)動，陶瓷球閥芯Ⅱ與先導(dǎo)閥閥座接觸分離，液體從二位二通先導(dǎo)閥P1口進(jìn)入，通過工藝孔3、4、5分別進(jìn)入陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔及左端導(dǎo)向套內(nèi)腔，陶瓷球閥芯Ⅱ左右兩端壓力平衡，液體從陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔進(jìn)入先導(dǎo)閥閥座內(nèi)腔，二位二通先導(dǎo)球閥P1口與T1口相通，二位二通先導(dǎo)閥處于打開狀態(tài)。

當(dāng)本安電磁鐵斷電時，控制桿推力=0，即=0，彈簧Ⅱ提供壓縮力，使陶瓷球閥芯Ⅱ與先導(dǎo)閥閥座處于密封狀態(tài)，液體無法從陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔進(jìn)入先導(dǎo)閥閥座內(nèi)腔，二位二通先導(dǎo)閥P1口與T1口斷開，二位二通先導(dǎo)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 主要參數(shù)設(shè)計

根據(jù)節(jié)流孔流量壓力公式(2)，代入預(yù)定的額定流量、開啟壓力，可以得出通流面積，以此來計算得出接口孔徑。

(2)

式中：為額定流量；為流量系數(shù)；為通流面積；為液體密度；Δ為閥開口兩端壓差。

選擇與系統(tǒng)相匹配的接口尺寸，可以得出如表1所示的參數(shù)。

表1 主要參數(shù)

5 結(jié)語

此先導(dǎo)式本安補(bǔ)水閥采用電磁鐵為本質(zhì)安全型，電磁鐵體積小、質(zhì)量輕、功耗低、安裝維護(hù)方便，可與本安控制系統(tǒng)直接配套。經(jīng)過小批量試制之后，實(shí)物如圖8所示。在液壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行了型式實(shí)驗(yàn)，并在神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦進(jìn)行了煤礦井下工業(yè)實(shí)驗(yàn)，可以完全滿足功能要求，對綜采高壓大流量智能集成供液系統(tǒng)的智能化的實(shí)現(xiàn)有重要意義。

圖8 本安電磁補(bǔ)水閥實(shí)物