负载敏感系统煤矿用防爆三联电磁换向阀组的设计研究

(中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原 030006)

引言

负载敏感控制系统减小了系统的节流损失和溢流损失，功率损耗低，效率远高于常规液压系统[1-4]。负载敏感系统提供了良好的操作控制方式，简单可靠，单个负载敏感泵与负载敏感比例多路阀的组合使整个液压系统具有按照多个载荷回路、多个执行元件的压力和流量需求而提供各个回路、各个执行元件所需的压力和流量的特性[5-10]。该系统已在如掘进机、掘锚机、锚杆机、巷修机等煤机装备上广泛使用。目前，在需要遥控操作的煤机装备上，都采用负载敏感泵与煤安认证的负载敏感比例多路阀的组合方式设计液压系统。在整机所有动作中，部分动作需要组合动作，而部分动作无需组合动作，当所有动作的控制都采用带煤安认证的负载敏感比例多路阀进行控制，则该系统明显存在过渡设计的问题；由于国内外具备煤安认证的负载敏感比例多路阀价格都较高，遥控操作的煤机装备液压系统成本居高不下。设计生产的巷道修复机的所有动作都要求遥控操作，其中反铲破碎装置中动臂升降、中间臂升降、抖杆升降、挖斗伸缩四个动作要求组合动作流量互不影响，而后支撑升降、铲板升降、钻臂伸缩、钻臂升降等动作可单独动作，当所有动作都采用煤安认证的负载敏感电比例多路阀进行控制存在过渡设计和成本居高的问题。本研究开发一种适用于煤矿井下远程遥控控制的负载敏感泵系统的电磁多路换向阀组，代替MA认证的负载敏感电比例多路阀，该阀组不仅满足远程控制装备动作的功能要求，同时有效降低了负载敏感液压系统的成本。

1 负载敏感电磁多路换向阀组原理设计

根据矿用远程控制负载敏感系统的控制特点，负载敏感电磁多路换向阀组的设计要求包括6部分：

(1) 多个换向控制阀、功能阀集成式设计；

(2) 换向阀的换向控制采用电磁控制换向；

(3) 具有节流调速功能；

(4) 应用于负载敏感系统，具有阀组与负载敏感泵的匹配具有负载敏感系统的压-流特性优点，即负载敏感泵根据负载、执行机构所需压力和流量提供相应的压力和流量；

(5) 阀组具有限最高压功能；

(6) 执行机构不动作时，系统不能高压待机。

根据其阀组6个功能要求及负载敏感系统特性，设计了负载敏感电磁三联换向阀组原理图及阀组与负载敏感电比例多路阀并联的负载敏感系统原理图，如图1所示。对三联阀组的原理详细解释如下：三联电磁换向阀组由3个换向联与功能首联组成；换向联由电磁换向阀1、单向节流调速阀2、单向阀3组成；电磁换向阀具备电控换向功能，使系统可以远程遥控控制；单向节流调速阀具有液体正向节流调速反向正常流动的功能，使执行机构动作的速度可以根据需要进行调整；2个单向阀分别引出A、B口的压力作为负载反馈压力LS,三联换向阀组中6个LS反馈压力相通，使系统在工作过程中选择反馈三联换向阀中的最高压力；三联换向组中，P、T相通共用；功能首联中，溢流阀4负责限制三联阀组中反馈压力的最高压力；泄油节流堵5负责卸掉反馈压力管道中的残压。三联换向阀组与负载敏感电液比例多路阀并联，2组多路阀的LS通过梭阀进行压力选择后反馈至负载敏感泵的LS口，2组多路阀组与负载敏感泵采用都负载敏感技术使所有执行动作都被低能耗、高效率的进行控制。

1.电磁换向阀 2.单向节流调速阀 3.单向阀 4.溢流阀 5.卸油节流堵 图1 三联电磁换向阀组与系统设计原理图

2 负载敏感电磁换向阀组系统压力-流量特性分析

三联负载敏感电磁换向阀组原理与单联原理一致，为了便于分析，仅对单联负载敏感电磁换向阀组系统工作状态进行压力-流量研究，原理图如图2所示。

2.1 压力特性分析

(1) LS阀2的压力平衡方程为[11-12]：

pP=pLS+FS/A

(1)

式中，pP——负载敏感泵的出口压力

pLS——负载压力，即负载反馈至LS阀芯2右端的压力

A——LS阀2阀芯左端液压油作用截面积

FS——LS阀2阀芯右端所受弹簧作用力

(2) 当系统处于待机状态电磁换向阀未得电未工作时，负载压力pLS为0，系统待机压力p0为：

p0=FS/A

(2)

调节LS阀弹簧的压缩行程可以调节系统的待机压力；

(3) 当负载压力高于切断压力时，压力切断阀3阀芯平衡方程为：

pd=Fd/Ad

(3)

式中，pd——系统切断压力

Fd——压力切断阀3阀芯右端所受弹簧作用力

Ad——压力切断阀3阀芯横截面积

从式(2)、式(3)可知，系统待机状态和压力切断状态，系统压力都恒定为固定值。从式(1)可知，负载压力无论如何变化，即负载工况变化时，系统输出压力始终比负载工况压力高恒定值FLS/A。

2.2 流量特性分析

当系统正常工作状态时，电磁换向阀得电换向阀阀口打开，泵出的压力油经过电磁换向阀、节流调速阀2个元件进入执行油缸，为便于计算，简化流通过程，将电磁换向阀和节流调速阀视为一个换向节流阀，此时换向节流阀的流量方程为：

(4)

式中，Q——系统流量

Cd——流量系数

ATS——简化后换向节流阀流通面积

Δp——前后压差

ρ——液压油密度

换向阀阀芯得电动作时阀芯阀口全开且开口面积A4，节流调速开口面积A5，调速时开口变化为0～A5max，选A4等于A5max，则通过两者的流通面积为：

ATS=A5{0～A5max}

(5)

流经电磁换向阀和节流调速阀的前后压差：

Δp=pP-pLS=p0=FS/A

(6)

分析式(3)～式(6)，当调定A5开口大小后；Δp保持不变恒定为p0，Cd取0.7；ρ为850 kg/m3，分析可知，系统的流量与pLS负载变化无关，只与调速阀的开口大小有关。三联电磁换向阀组在负载敏感系统中具备与节流调速阀阀口面积A5正相关的线性调速性能。系统最小流量为0，从式(4)～式(6)分析可知，系统最大流量Qmax为：

(7)

3 三联电磁换向阀组的结构设计

3.1 结构布局设计

三联电磁换向阀组采用板式阀、叠加阀与插装阀相结合的方式进行结构布局，使换向阀组集成化程度高、结构紧凑、外形尺寸小、可靠性高。如图3所示为设计的三联电磁换向阀组的三维模型图。电磁换向阀使用板式阀，单向节流调速阀使用叠加阀，溢流阀、单向阀、泄油节流堵使用插装阀。设计专用三联电磁阀体，其内部流道按照原理图进行流道设计钻孔和加工可供板式阀、插装阀安装的标准安装孔，阀块外部共用P，R，T，A，B，LS口，减少外部胶管数量。阀组外形尺寸为252 mm×268 mm×254 mm，与三联防爆电比例多路阀尺寸257.5 mm×231.5 mm×122 mm相比，长、宽方向相似，高度增加约132 mm变化较大。

图3 三联电磁换向阀组的三维模型图

3.2 元件选型设计及制造

三联电磁换向阀组主要功能性阀件包括5种合计14个，主要阀件的选型表如表1所示。由于煤矿井下装备使用带电元件，必须具有国家认证的MA认证，选用具有MA标志的防爆电磁换向阀使整套阀组可以应用于煤矿井下装备，符合国家煤矿安全严格准入要求。单向节流调速阀通径选用与防爆电磁换向阀通径相同规格的型号。单向阀仅是对换向阀A、B口的压力进行取压，流量尽量小，选用流量仅有3 L/min的单向阀完成取压功能。由于泄油节流堵孔径仅为0.51 mm，因此选用具有防堵过滤功能的泄油节流堵。

表1 三联防爆电磁换向阀组阀件选型统计表

4 实验测试

三联防爆电磁换向阀组制造实物图如图4所示。阀组应用于2HXYL-120/90煤矿用多功能巷道修复机(第二代)负载敏感液压系统中，替代了第一代巷道修复机中使用的防爆负载敏感电比例多路阀。巷修机液压系统采用A11VO145负载敏感柱塞变量泵，采用HMG3000手持测量仪对刮板输送马达回路流量进行测量。如图5、图6所示为井下使用时三联防爆电磁换向阀组首联刮板输送马达回路的压力曲线图和流量曲线图。测试结果显示，0～5 s空载和5～10 s带载工况，负载压力变化且波动较大时，但系统压力始终比负载压力高约0.7 MPa，同时回路流量受负载变化影响较小，流量稳定在约40 L/min，满足设计要求。

图4 三联防爆电磁换向阀组实物图

图5 首联刮板输送回路压力曲线图

图6 首联刮板输送回路测量流量曲线图

同时该阀组成本仅约为进口元件价格的23%，取代进口元件后，单台装备(两套阀组)节省成本约5.2 万元。

5 结论

本研究分析了煤矿用负载敏感液压系统的特点及压流特性，确定了负载敏感用防爆电磁换向阀组的设计要求，根据要求设计了三联防爆电磁换向阀组元件原理图和整个负载敏感系统原理图；然后对阀组进行三维建模设计、元件选型，最后介绍了阀组应用情况。该阀在煤矿井下装备首次成功应用，解决了远程遥控控制负载敏感系统过渡设计问题，同时为矿用负载敏感系统控制提供了成交较低但可靠性较高的解决方案。