提升機(jī)雙泵液壓站中液動(dòng)換向閥的設(shè)計(jì)

肖鵬高，藺志澤，馬一春

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

礦井提升系統(tǒng)是礦山開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備，主要承擔(dān)全礦的煤炭、礦石、廢石等的提升任務(wù)，以及人員、設(shè)備、材料等的運(yùn)送任務(wù)。液壓站是礦井提升機(jī)重要的安全和控制部件，它和盤(pán)形制動(dòng)器組合成為一套完整的制動(dòng)系統(tǒng)[1]。

為提高制動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性，液壓站通常設(shè)計(jì)有備用裝置。目前，提升機(jī)液壓站常用的備用裝置設(shè)計(jì)方案有以下 3 種。

(1) 雙泵液壓站 該方案中，1 套制動(dòng)系統(tǒng)配置1 臺(tái)液壓站。液壓站上設(shè)計(jì) 2 套泵裝置+1 套液壓閥組，2 套泵裝置互為備用，1 套液壓閥組共用。當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)電控程序可實(shí)現(xiàn)備用泵的自動(dòng)切換。

(2) 雙系統(tǒng)液壓站 該方案中，1 套制動(dòng)系統(tǒng)配置 1 臺(tái)液壓站。液壓站上設(shè)計(jì) 2 套液壓系統(tǒng)，互為備用。當(dāng)工作液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)人工調(diào)整出油口球閥及電控程序，可實(shí)現(xiàn)備用液壓系統(tǒng)的切換。

(3) 雙液壓站 該方案中，1 套制動(dòng)系統(tǒng)配置 2臺(tái)完全相同的液壓站。每臺(tái)液壓站上設(shè)計(jì) 1 套完整的液壓系統(tǒng)，2 臺(tái)液壓站互為備用。當(dāng)工作液壓站出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)人工調(diào)整出油口球閥及電控程序，可實(shí)現(xiàn)備用液壓站的切換。

上述方案中，雙泵液壓站結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，備用裝置切換最方便，安裝空間最小，經(jīng)濟(jì)成本最低；因此，在用戶對(duì)價(jià)格、安裝空間比較敏感的項(xiàng)目中，經(jīng)常選用此方案。

雙泵液壓站中，2 套互為備用的泵裝置通過(guò)液動(dòng)換向閥向 1 套共用的液壓閥組供油。為了保證泵裝置的可靠切換，液動(dòng)換向閥必須具備可靠的性能。常用的板式液動(dòng)換向閥，其安裝面上油孔眾多，閥組油路塊設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)還存在液動(dòng)換向閥閥芯容易卡阻、彈簧使用壽命短等問(wèn)題，使用效果不佳。基于此，本研究提出一種基于二通插裝閥設(shè)計(jì)的新型液動(dòng)換向閥。

1 雙泵液壓站

1.1 組成及工作原理

以中信重工生產(chǎn)的恒力矩安全制動(dòng)雙泵液壓站為例，其原理如圖1 所示。雙泵液壓站由油箱 1、互為備用的 2 套泵裝置、1 套共用的液壓閥組組成。其中，泵裝置由液壓泵 2、電動(dòng)機(jī) 3、過(guò)濾器 4、比例溢流閥 5 構(gòu)成；液壓閥組由液動(dòng)換向閥 6、電磁換向閥(7、11、12、16、17)、溢流閥 8、單向節(jié)流閥 9、蓄能器 10、壓力傳感器 13、過(guò)濾器 14、出油口球閥 15構(gòu)成。連接管路將液壓站出油口 B 和盤(pán)式制動(dòng)器連接。

圖1 雙泵液壓站工作原理Fig.1 Working principle of dual-pump hydraulic station

1.2 主要功能

1.2.1 工作制動(dòng)

液壓站可以為盤(pán)式制動(dòng)器提供不同油壓的壓力油，油壓的變化由電液比例溢流閥來(lái)調(diào)節(jié)。制動(dòng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，電動(dòng)機(jī) 3.1 通電，電磁鐵 G3、G4、G5、G6、G7 得電，液壓泵 2.1 的壓力油經(jīng)過(guò)過(guò)濾器4.1、液動(dòng)換向閥 6、電磁換向閥 7、過(guò)濾器 14、球閥15 和出油口 B 進(jìn)入盤(pán)式制動(dòng)器。司機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)比例溢流閥 5.1 的比例電磁鐵，以控制電壓實(shí)現(xiàn)油壓的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的目的。當(dāng)控制電壓增加時(shí)，系統(tǒng)油壓升高，制動(dòng)器開(kāi)閘；當(dāng)控制電壓減小時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)油壓下降，制動(dòng)器合閘；當(dāng)控制電壓減小至零時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)的油壓最低，降為殘壓，提升機(jī)處于完全制動(dòng)狀態(tài)。

1.2.2 安全制動(dòng)

礦井提升系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，提升機(jī)必須實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。此時(shí)，電動(dòng)機(jī) 3.1、比例溢流閥 5.1 的比例電磁鐵，以及電磁鐵 G3、G4、G7 斷電，盤(pán)式制動(dòng)器油壓降為溢流閥 8 的調(diào)定壓力p1級(jí)值，即第一級(jí)制動(dòng)油壓值；保壓至?xí)r間繼電器動(dòng)作時(shí)，電磁鐵 G5、G6斷電，油壓降到零，實(shí)現(xiàn)全制動(dòng)。在延時(shí)過(guò)程中，蓄能器 10 起穩(wěn)壓補(bǔ)油作用，調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥 9 的開(kāi)度可調(diào)節(jié)其補(bǔ)油速度，使延時(shí)過(guò)程中p1級(jí)值基本穩(wěn)定在要求值[2]。

2 液動(dòng)換向閥的應(yīng)用

液動(dòng)換向閥是利用控制油路的壓力油在閥芯端部所產(chǎn)生的液壓力來(lái)推動(dòng)閥芯移動(dòng)，從而改變閥芯位置的換向閥。提升機(jī)雙泵液壓站上常用的國(guó)產(chǎn) 23Y 型板式液動(dòng)換向閥如圖2 所示。其安裝面上有 2 個(gè)進(jìn) (出)油口 B 和 A、1 個(gè)出 (進(jìn)) 油口 P、1 個(gè)控制油口 K，以及 1 個(gè)泄油口 L。在雙泵液壓站中，液動(dòng)換向閥在泵裝置切換時(shí)使用，工作泵裝置連接 A 口，備用泵裝置連接 B 口。工作泵裝置運(yùn)行時(shí)，閥芯在彈簧力的作用下被推向左側(cè)，壓力油經(jīng) A → P 流向液壓閥組供油孔；當(dāng)工作泵裝置故障時(shí)，電控系統(tǒng)控制工作泵的電動(dòng)機(jī)斷電，備用泵的電動(dòng)機(jī)通電，閥芯在控制油 K 的作用下被推向右側(cè)，壓力油經(jīng) B → P 流向液壓閥組供油孔；至此，完成備用泵裝置的切換。

圖2 23Y 型板式液動(dòng)換向閥Fig.2 23Y type plate hydraulic operated directional valve

雙泵液壓站上使用的板式液動(dòng)換向閥安裝在閥組油路塊上，通過(guò)油路塊上設(shè)計(jì)的油孔及螺釘安裝孔進(jìn)行連接。圖2 所示為 23Y 型板式液動(dòng)換向閥，其安裝面上油口眾多。當(dāng)然，進(jìn)口廠家也有板式液動(dòng)換向閥可供選擇，但是其安裝面上同樣油口眾多。美國(guó)PARKER 的 D3DP26D2N 板式液動(dòng)換向閥[3]如圖3 所示，該換向閥在雙泵液壓站上也有使用。A 口、B 口和 P 口為閥的工作油口，X 口和 Y 口為控制油口。安裝面上油口眾多，這給閥組油路塊的油孔設(shè)計(jì)增加了難度。此外，板式液動(dòng)換向閥還存在閥芯容易卡阻、彈簧使用壽命短等問(wèn)題，這都是制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的安全隱患。

圖3 PARKER 的板式液動(dòng)換向閥Fig.3 Plate hydraulic operated directional valve from PARKER

3 新型液動(dòng)換向閥的設(shè)計(jì)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于二通插裝閥，本研究設(shè)計(jì)提出了一種新型液動(dòng)換向閥。

3.1 二通插裝閥

二通插裝閥由插裝組件、控制蓋板等組成。插裝組件安裝于油路塊中符合 ISO 7368 的標(biāo)準(zhǔn)安裝孔中，并用控制蓋板封嚴(yán)。通過(guò)插裝組件，控制蓋板和其他附件的組合可以實(shí)現(xiàn)需要的控制功能[4]。二通插裝閥具有流動(dòng)阻力小、通流能力大、動(dòng)作速度快、抗污染能力強(qiáng)、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)元件和系統(tǒng)的“三化”、簡(jiǎn)化系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。

液動(dòng)換向閥中使用的二通插裝閥如圖4 所示，其主要由插裝組件和控制蓋板組成。二通插裝閥依靠壓力進(jìn)行工作。通過(guò)設(shè)計(jì)臺(tái)階，使二通插裝閥的面積比αA=A1∶A3=1∶2。圖4 中，A 腔中的面積 A1 和A2 以開(kāi)口方向起作用，面積 A3 和彈簧以閉合方向起作用。開(kāi)口和閉合方向的力，合成后所產(chǎn)生的有效力的方向決定了二通插裝閥的閥芯位置。當(dāng)控制油路 X供油壓力最高時(shí)，面積 A3 受壓，A 腔和 B 腔的壓力油都不能打開(kāi)閥芯組件，閥芯組件保持關(guān)閉，A 腔和B 腔不相通，實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏封閉；當(dāng)控制油路 X 與油箱相通時(shí)，閥芯組件可以由 A 腔或 B 腔的壓力油打開(kāi)，壓力油可以從 A 流向 B 或從 B 流向 A，此時(shí)，二通插裝閥就具有二位二通方向控制閥功能。

圖4 二通插裝閥Fig.4 Two-way cartridge valve

3.2 新型液動(dòng)換向閥的設(shè)計(jì)

新型液動(dòng)換向閥[6]是由兩個(gè)二通插裝閥組合而成的選擇回路，具備二位三通方向控制閥功能，以實(shí)現(xiàn)兩套泵裝置的切換。中信重工 E6118B/E6119B 型液壓站的液壓閥組如圖5 所示。圖5 中，當(dāng) P1 處的泵裝置工作時(shí)，插裝組件 2.1 打開(kāi)，插裝組件 2.2 關(guān)閉，由 P1 處的泵裝置向 P 口供油，P2 處的泵裝置可以維修或停用待命；反之，當(dāng) P2 處的泵裝置工作時(shí)，插裝組件 2.2 打開(kāi)，插裝組件 2.1 關(guān)閉，由 P2 處的泵裝置向 P 口供油，P1 處的泵裝置可以維修或停用待命。

圖5 新型液動(dòng)換向閥Fig.5 New type of hydraulic operated directional valve

在提升機(jī)雙泵液壓站中，新型液動(dòng)換向閥的設(shè)計(jì)和安裝有以下兩種方式。

(1) 在閥組油路塊中直接設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安裝孔，將插裝組件安裝在標(biāo)準(zhǔn)安裝孔中，再用控制蓋板封嚴(yán)。圖5 中，兩個(gè)插裝組件的位置和方向可根據(jù)液壓閥組的具體情況靈活設(shè)計(jì)，與板式液動(dòng)換向閥相比，閥組油路塊的油孔設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了很多。

(2) 將兩個(gè)插裝閥組合設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的液動(dòng)換向閥，再安裝到閥組油路塊上。如圖6 所示，獨(dú)立的液動(dòng)換向閥包含一個(gè)獨(dú)立的閥體 3，兩端分別安裝有一個(gè)插裝組件 2 和一個(gè)控制蓋板 1；閥體內(nèi)部設(shè)計(jì)有油孔，用于連接兩端的插裝閥；閥體外側(cè)安裝面上設(shè)計(jì)有兩個(gè)進(jìn)油孔 P1 和 P2，通過(guò)管接頭連接兩個(gè)泵裝置；閥體內(nèi)側(cè)安裝面上設(shè)計(jì)有一個(gè)出油孔 P，閥組油路塊上只需要設(shè)計(jì)一個(gè)與出油孔 P 配套的供油孔即可；閥體上設(shè)計(jì)有螺釘安裝孔，用于將液動(dòng)換向閥安裝在閥組油路塊上。

圖6 獨(dú)立的液動(dòng)換向閥Fig.6 Independent hydraulic operated directional valve

采用獨(dú)立的液動(dòng)換向閥，使閥組油路塊的油孔設(shè)計(jì)得到了進(jìn)一步簡(jiǎn)化。中信重工 E6161B/E6160B 型液壓站的液壓閥組的應(yīng)用如圖7 所示。

圖7 液壓閥組的應(yīng)用Fig.7 Application of hydraulic valve group

4 結(jié)語(yǔ)

與常用板式液動(dòng)換向閥相比，基于二通插裝閥設(shè)計(jì)的新型液動(dòng)換向閥具有安裝方式和安裝位置靈活，閥組油路塊的油孔設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，液動(dòng)換向閥流動(dòng)阻力小、通流能力大、動(dòng)作速度快、抗污染能力強(qiáng)，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，保障了雙泵液壓站中兩套泵裝置的可靠切換，提高了制動(dòng)系統(tǒng)的安全性能，保證了礦井提升系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。