液压支架电液控制阀的压力损失特性研究

张 赛，谭 震，张德生，加保瑞，朱信龙，杜尚宇

1天地科技股份有限公司 北京 100013

2陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司 陕西榆林 719000

液 压支架是采煤工作面重要支护设备，移架速度作为其重要性能指标，是能否实现即时支护和高产高效采煤的关键[1-2]。以平均厚度为 2 m，长度为 400 m 的工作面为例，要达到年产 1 000 万 t 的目标，须满足采煤机速度为 15 m/min、支架跟机速度为 10 架/min 的要求[3]。而液压支架供液系统中数量繁多的阀件以及较长的供液管路会带来系统压力损失大和动态响应慢的问题，造成支架动作缓慢，甚至发生丢架现象，严重制约了综采工作面“三机”协同推进速度。

电液控制阀作为支架供液系统中最常使用的阀件，其流量-压差特性对整个供液系统的影响较大[4]。国内有学者对电液控制阀做过相关研究，苗垒等人利用 CFD 模拟了电液控制阀的径向不平衡力和流量压差特性，通过试验验证了仿真的正确性[5]。韩伟采用流体动力学软件计算了大流量换向阀的额定流量，基于速度矢量变化分析了阀的流道合理性[6]。

笔者对液压支架供液系统中某常用电液先导控制阀的压力损失进行了分析，通过试验测得了不同流量下的压力损失，进而通过拟合曲线得到了电液控制阀的全流量-压差特性，修正了理论公式，为液压支架在不同供液能力情况下的移架速度计算和仿真提供了较可靠的依据。

1 电液控制阀工作原理

笔者研究的电液控制阀由电磁先导阀和主控阀组成，通过节流孔道将主阀和先导阀两部分联系起来。电磁先导阀将电控系统的电信号转化为液压信号，驱动主控单元中相应阀芯，实现对执行元件的精确控制。电液控制阀主控阀结构如图 1 所示，阀体采用片式结构。主阀芯结构如图 2 所示。

图1 电液控制阀结构示意Fig. 1 Structural sketch of electro-hydraulic control valve

图2 主阀芯结构Fig. 2 Structure of main spool

当先导阀关闭时，工作介质进入上腔遇到阻碍无法流动，主阀芯在弹簧预紧力作用下关闭，且工作压力越大，密封越紧。当先导阀打开时，高压液经过主阀和先导阀入口后形成主压力ps和控制压力pc，控制压力推动主阀阀芯移动，主压力通过阀口开口形成孔前压力p0，然后通过滑阀上的小孔形成工作压力pA。

主阀由于固定节流孔、阀口开口以及狭窄流道造成液阻。所谓的节流孔是指细长的小孔，稳态工况下流道产生压降，在动态工况下则起到阻尼孔的作用。R1、R2、R3分别为节流口、阀口开口和小孔的液阻，主阀总液阻R是三者串联起来。串联液阻的基本特性为

串联时的压力分配特性和各液阻值有关，液阻越大，相应环节的压降也越大。而直径和长度是节流孔的基本参数，当长径比在 0.5～ 4.0 之间时，称为短孔，当长径比大于 4.0 时，称为细长孔[7]。

常规计算中，短孔的压差流量计算公式和薄壁小孔类似，

式中：qS为短孔流量；Cd为流量系数，雷诺数较大时，基本稳定在 0.8 附近；A0为短孔截面积；ΔpS为孔口压差；ρ为液体密度。

对于细长孔，其压差流量的计算类似液体流经圆管，

式中：qL为细长孔流量；d为细长孔直径；µ为液体黏度；l为细长孔长度；ΔpL为孔口压差。

对于存在固定节流孔、阀口开口以及狭窄流道等多种孔道的电液控制阀，根据式 (1)，整阀压力损失Δp可等效表示为多个长、短孔的压力损失之和，

式中：n为短孔数；k为细长孔数。

由于电液控制阀的压差流量特性主要取决于各大小流道的压差流量特性，其压差-流量公式可等效归纳为

式中：q为电液控制阀流量；Kv为等效流量系数，由阀体中流道的数量、形状、尺寸和液体性质决定的系数；m为由流道长度和直径决定的指数。

2 流量-压差特性试验研究

2.1 试验系统介绍

为探明电液控制阀的压力损失特征，根据电液控制阀的工作原理，构建了流量-压差特性试验平台，如图 3 所示。试验平台由泵站、流量计、压力传感器及被试阀件等组成。该试验台在泵的出口设置溢流阀，泵的出口与电磁阀 P 口相连，液体经过阀体流道从阀的 A 口回油箱，在阀的 P 口、A 口各接有压力传感器，通过 2 个压力传感器的差值获得压差 Δp。

图3 流量-压差试验台原理Fig. 3 Principle of test bench for flow and differential pressure

为了满足电磁控制阀的实际工况，试验使用 2%(质量比) 浓度的乳化液作为介质，由于要尽量测得最大范围的压差值，而单台泵难以实现大流量工作条件，通过大小流量泵组合搭配可测试 800 L/min 大流量工况下的流量-压差特性。通过高频率数据采集系统可获取不同流量下 P-A 口的压力数据，从而得到电磁阀的流量-压差特性曲线。为了确保试验数据的准确性，试验前需要对 2 个压力传感器进行校准。

按照试验方案正确连接试验管路，如图 4 所示，设备连接完成后启动泵站。为得到高置信度数据，试验过程中将阀在 100～ 600 L/min 流量范围内分为 10种工况，通过流量控制柜开闭各泵并调节辅助泵以控制流量大小，待流量表读数稳定后，记录压力传感器数值。每种工况多次测量数据并取平均值。

图4 试验系统Fig. 4 Test system

2.2 试验结果分析

根据试验数据，可得到如图 5 所示的 500 L 电液控制阀流量-压差特性曲线。随着电液控制阀通过流量的增大，阀 P-A 口的压差也随之增大，并且随着流量的不断增大，压差上升的速度逐渐变小。

图5 500 L 电液控制阀流量-压差特性曲线Fig. 5 Characteristic curve of flow and differential pressure of 500 L electro-hydraulic control valve

试验结果表明，当泵站供液流量为 600 L/min时，主阀压力损失约为 11.5 MPa，压力损失非常明显。而在电磁阀公称流量条件下，测得阀口压力损失大于 8 MPa，大于 GB 25974.3—2010 规定的公称流量大于 250 L/min 的阀，进回液压力损失应不大于 7 MPa 的限制条件[8]。此时压力损失变得不可忽略，在对液压支架供液系统性能分析时，需仔细考虑这部分压力损失。

根据试验测得的 10 组压力-流量数值进行数据拟合，发现流量-压差符合

从拟合公式可知，该受测电液控制阀的等效流量系数Kv=169.77，指数m=0.524，流量压差曲线拟合残差为 0.997 6。通过该压差-流量特性拟合曲线，可获得全流量下阀口压差特征，较好预测任一流量下的压差。

3 结论

(1) 针对某电液控制阀的压力损失进行了理论分析，并通过试验研究实测了多工况下的压差，得到了电液控制阀全流量-压差特性曲线，确定了理论公式中等效流量系数。

(2) 根据试验数据拟合的全流量-压差曲线与试验结果具有较好的一致性，通过该公式可以预测任一流量下的压差，使理论计算结果更接近工程实际。

(3) 液压支架电液控制阀实测的压力损失与流量正相关，尤其大流量供液时，压力损失非常明显，而在 500 L/min 公称流量下，此主阀的压力损失大于 8 MPa，较大的压力损失会削弱液压支架的移架性能，压力损失不可忽略。