矿用综采面大流量本安电磁补水阀的设计

黄帅

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 前言

随着时代的发展，互联网、人工智能、云计算、大数据等新科技不断和传统行业相加，我国煤炭工业也在不断发展，综采工作面供液系统完成了由机械化到自动化的技术革新，正在逐步向无人化、数字化、智能化的方向发展。目前国内综采工作面供液系统主要采用高水基乳化液作为传动介质，供液电控系统多为本质安全型，其中使用的电磁补水阀多为进口产品，价格昂贵。国内同类型电磁补水阀防爆等级为Ⅱ类，额定电压高，且额定工作压力低，不能满足使用要求。为使智能工作面供液系统稳定运行，该系统中电磁补水阀的性能尤为关键。

1 综采集成供液系统技术现状

综采工作面集成供液系统需监控系统流量、压力等供液参数，采用传感器、电磁卸荷阀、电磁补水阀等元器件进行调节，从而能够在自动化开采条件下及时为综采工作面提供所需要的供液流量和压力。综采集成供液系统架构如图1所示。在管路供液、乳化液配比子系统中需进行水质、流量、液箱液位高度等方面的监测，以稳定供液系统的运行。其中，作为综采集成供液系统重要的补水控制元件——电磁补水阀，是集成供液系统实现自动控制的基础，该元件的隔爆性能及可靠性对于综采集成供液系统具有重要意义。

图1 综采集成供液系统架构

2 补水阀的工作原理

设计的补水阀为大流量先导式本安电磁补水阀，主要由主阀、二位二通先导球阀、本安电磁铁和控制推杆组件组成，其液压工作原理如图2所示。在综采智能集成供液系统中，电磁补水阀的进口P与出口T分别与集成供液系统的进水管、出水管相连。当系统需要供液时，本安电磁铁通电，二位二通先导球阀处于右位，主阀弹簧腔内液体通过节流孔进入出口T，使主阀阀芯两端产生压力差，克服弹簧力使电磁补水阀阀芯打开，主阀进口P与出口T相通，系统开始供液；当系统无需供液时，本安电磁铁断电，二位二通先导球阀处于左位，主阀弹簧腔内液体无法流出，主阀阀芯两端压力相等，弹簧力使主阀阀芯处于关闭状态，系统停止供液。

图2 液压原理

3 结构设计

考虑到目前二位二通电磁补水阀存在的一些缺点，文中所述的电磁补水阀选用的电磁铁防爆型式为本质安全型，具有体积小、质量轻、功耗低、安装维护方便等优点，可与本安控制系统直接配套；控制推杆组件采用杠杆原理放大电磁铁推力，可有效解决本安型电磁铁推力小的问题；先导部分为二位二通球阀，采用先导液控原理，使此补水阀具有大流量、高可靠的性能。电磁补水阀整体采用模块化设计，可根据实际需要，改变主阀的压力和流量等级，以满足不同工况的需求，具有很强的通用性和实用性，其具体结构如图3所示。

图3 电磁补水阀结构图

3.1 主阀

对于主阀部分，其结构如图4所示，主阀阀体为长方体阀块，主阀阀体左侧面为主阀阀芯安装孔，右侧面为进液P口，下侧面为出液T口。主阀阀体内部安装弹簧Ⅰ、主阀阀芯及主阀阀座，密封圈及导向环安装在主阀阀芯上，主要起密封和导向作用，主阀阀芯中间设有弹簧腔，弹簧Ⅰ安装在弹簧腔内，压盖压缩弹簧Ⅰ通过螺栓固定在主阀阀体左端；主阀阀芯右端安装阻尼螺钉，阻尼螺钉中间设有阻尼孔，用于增大电磁阀P口与弹簧腔之间的压差，当主阀阀芯锥面与主阀阀座重合时，电磁补水阀P口和T口处于断开状态，当主阀阀芯锥面与主阀阀座分开时，电磁补水阀P口和T口处于相通状态。主阀阀体上侧面为二位二通先导阀安装面，并设有P1口和T1口，P1口直接与主阀弹簧腔相通，T1口通过工艺孔1、工艺孔2与T口相通。

图4 主阀结构

3.2 二位二通先导球阀

二位二通先导球阀其结构如图5所示，包括先导阀阀体、阀芯套、陶瓷球阀芯Ⅰ、导向座、阀杆、先导阀阀座、陶瓷球阀芯Ⅱ、弹簧座、弹簧Ⅱ、弹簧套和密封组件。先导阀阀体为凸型，阀芯套通过螺纹连接安装在先导阀阀体内，阀芯套上设置有内孔，内孔由右向左依次安装陶瓷球阀芯Ⅰ、导向座、先导阀阀座以及弹簧套；装有密封圈的弹簧套通过螺纹连接安装在阀芯套内孔最外端，弹簧Ⅱ安装在弹簧套内，弹簧座压缩弹簧Ⅱ安装在阀芯套内孔内部；陶瓷球阀芯Ⅱ安放在弹簧座左侧端凹槽内，并与先导阀阀座紧密密封，陶瓷球阀芯Ⅱ右侧与弹簧套之间形成密封的弹簧套内腔；陶瓷球阀芯Ⅰ安放在阀芯套内孔的最内侧，陶瓷球阀芯Ⅰ与陶瓷球阀芯Ⅱ之间设置阀杆，阀杆大小径两端装有密封圈，与导向套之间形成密封的导向套内腔；阀芯套外圈设有多处密封槽，密封组件安装在阀芯套外圈密封槽内，与阀芯套安装孔内径形成多处密封环。并且二位二通先导阀阀体下侧面为安装面，设置有P2口和T2口与主阀上侧面P1口和T1口相通。

图5 二位二通先导球阀

3.3 控制杆件

控制杆组件结构如图6所示，包括控制杆座、转向定位销、控制杆、调节螺钉、防松螺母、螺堵Ⅰ、螺堵Ⅱ；控制杆通过转向定位销安装在控制杆座内，控制杆上安装有调节螺钉，可以上下调节螺钉预紧高度，防松螺母安装在调节螺钉上，用于固定调节螺钉预紧高度，控制杆可带动调节螺钉围绕转向定位销在固定角度内旋转。

图6 控制推杆组件

控制推杆组件结构采用杠杆原理如图7所示，由力矩平衡可得：

图7 杠杆原理示意

×=×

(1)

式中：为电磁铁的推力；为调节螺栓压力；为动力臂(电磁铁推杆到转向定位销的距离)；为阻力臂(转向定位销到调节螺栓的距离)。

由公式(1)可知：当>>时，为省力杠杆，以此来弥补本安电磁铁额定电压低、推力小的缺点。

当本安电磁铁通电工作时，本安电磁铁产生推力带动控制杆围绕转向定位销逆时针向上运动，通过杠杆原理，调节螺栓产生向下压力，并克服二位二通先导球阀中弹簧Ⅱ的压缩力，压迫陶瓷球阀芯Ⅰ、阀杆、陶瓷球阀芯Ⅱ一起向下运动，陶瓷球阀芯Ⅱ与先导阀阀座接触分离，液体从二位二通先导阀P1口进入，通过工艺孔3、4、5分别进入陶瓷球阀芯Ⅱ右侧弹簧套内腔及左端导向套内腔，陶瓷球阀芯Ⅱ左右两端压力平衡，液体从陶瓷球阀芯Ⅱ右侧弹簧套内腔进入先导阀阀座内腔，二位二通先导球阀P1口与T1口相通，二位二通先导阀处于打开状态。

当本安电磁铁断电时，控制杆推力=0，即=0，弹簧Ⅱ提供压缩力，使陶瓷球阀芯Ⅱ与先导阀阀座处于密封状态，液体无法从陶瓷球阀芯Ⅱ右侧弹簧套内腔进入先导阀阀座内腔，二位二通先导阀P1口与T1口断开，二位二通先导球阀处于关闭状态。

4 主要参数设计

根据节流孔流量压力公式(2)，代入预定的额定流量、开启压力，可以得出通流面积，以此来计算得出接口孔径。

(2)

式中：为额定流量；为流量系数；为通流面积；为液体密度；Δ为阀开口两端压差。

选择与系统相匹配的接口尺寸，可以得出如表1所示的参数。

表1 主要参数

5 结语

此先导式本安补水阀采用电磁铁为本质安全型，电磁铁体积小、质量轻、功耗低、安装维护方便，可与本安控制系统直接配套。经过小批量试制之后，实物如图8所示。在液压试验台上进行了型式实验，并在神东煤炭集团大柳塔煤矿进行了煤矿井下工业实验，可以完全满足功能要求，对综采高压大流量智能集成供液系统的智能化的实现有重要意义。

图8 本安电磁补水阀实物