液壓支架立柱操縱閥的設計與應用

現(xiàn)代煤礦綜合采區(qū)的采運能力不斷增強，大型輔助設備的能源支架必須用于連接到大井徑、強大的支撐和快速臂架的方向，從而增加能源系統(tǒng)的工作流量。為了滿足支架對提高采空速度的要求，迫切需要配置大型流量回收液系統(tǒng)。目前流量為315L/min的五柱塞大流量泵站已投入使用,直徑為64mm的回液管和直徑為51mm的高壓供液膠管已有定型產品。然而大流量操縱閥的研制卻一直處于滯后狀態(tài),已成為制約提高移架速度的瓶頸。因此,迫切需要研制和選用與大流量泵站和大直徑管路相匹配的大流量操縱閥。由于歷史的延革和設計、使用習慣的影響,目前液壓支架所使用的都是片式操縱閥,若維持原片閥總體結構不變或略加改變,僅靠加大進回液孔徑和通流面積來增加通流能力,勢必會帶來閥體積加大、壓力和泄漏損失增加、工作性能變壞等負面效應。若能采用通流能力大、密封性能好的二通插裝閥作為支架液壓系統(tǒng)的操縱和控制閥,不論是從根本上提高回液過流能力,減小回液阻力,改善工作性能,利于集成化安裝,還是從順應支架向電液控制和采用純水介質方向發(fā)展的趨勢考慮,都是值得肯定的設計方案,應引起有關方面的足夠重視,為支架液壓系統(tǒng)的設計開辟一條新的設計道路。立柱是液壓支架的主要構件,能否可靠工作,對支架的工作性能有重要影響。由于工作壓力高,工況復雜、多變,應首先研究、解決用插裝閥設計立柱操縱及控制系統(tǒng)的技術問題,再推廣、應用到其它油缸系統(tǒng)中。1干預系統(tǒng)的設計用插裝閥取代片式操縱閥組成液壓支架立柱操縱系統(tǒng)有手動和電磁先導控制二種,分別適用于普通型和電液先導控制支架。1.1通閥的關閉如圖1所示,采用4個二通插裝閥和1個手動三位四通先導閥組成的方向閥控制立柱的動作。立柱的上腔經(jīng)插裝式方向閥中二通閥3的B口和泵站相連,下腔經(jīng)插裝式方向閥中二通閥2的A口及控制閥中的液控單向閥和泵站相連。當方向閥中的先導閥處于左位和右位時,分別控制立柱的伸出和縮回。當方向閥中的先導閥處于圖示中位時,二通閥2和3的閥口均被關閉,立柱上下腔的油路都被封閉,支架處于恒阻支撐工作狀態(tài)。為使在泵站或管路發(fā)生意外故障,造成突然失壓時,閥1、2也必須可靠關閉,以免造成嚴重后果,而在方向控制閥的進油管路中設置了單向閥5,以在失壓時封閉4個二通閥1、2、3、4的上腔,使其可靠關閉。此種控制方式可用于普通架型。1.2電液先導系統(tǒng)如圖2所示,將插裝式方向閥中的手動先導閥改為電磁閥,將控制信號傳遞給先導閥電磁鐵1YA和2YA,使其切換閥位,即可方便地實現(xiàn)對立柱的電液控制,其工作原理同于現(xiàn)有的電液控制系統(tǒng)中的電液操縱閥。該種控制方式可用于電液控制支架。1.3壓力穩(wěn)定穩(wěn)定如圖3所示,該系統(tǒng)是采用插裝式溢流閥和液控單向閥組成的插裝式控制閥,取代普通控制閥實現(xiàn)對立柱工作過程的控制。其工作過程為:當頂板下沉和老頂周期來壓,使立柱下腔的壓力上升至控制閥中溢流閥的調定壓力時,二通閥b的閥口開啟卸載,使立柱下腔的壓力降低,當壓力降低到溢流閥的調定壓力以下時,二通閥b又迅速關閉,恢復工作阻力,以后將不斷地重復這個過程,使支架實現(xiàn)恒阻支撐。需要降架時,將方向閥中的先導閥切換至右位,二通閥3的上腔通油箱,閥口開啟,壓力液經(jīng)該閥口進入立柱上腔,同時將控制閥中液控單向閥的液動二位二通先導閥切換至左位,使二通閥a的上腔通油箱,閥口開啟,立柱下腔經(jīng)此閥口回液,實現(xiàn)降架。由于插裝式溢流閥是采用先導控制,工作壓力的波動范圍小、響應快、啟閉靈敏,將減少支架工作阻力的波動范圍,改善恒阻性能;又由于插裝閥的通流能力大,在周期來壓強烈的頂板條件下工作時無需加設工作可靠性差的專用充氣式大流量安全閥,即滿足使用要求,又簡化系統(tǒng),提高了工作可靠性。此種控制方式可用于在堅硬頂板條件下工作的支撐式支架,也有手動(將先導閥換為手動控制即可)和電磁控制兩種型式。2關于問題的討論鑒于液壓支架的特殊工況,為保證液壓支架和泵站系統(tǒng)能安全、可靠地工作,需對用于液壓支架的插裝閥結構加以分析研究,提出具體要求。2.1閥芯兩端面積比和彈簧力由液壓支架立柱工作特性及圖1可知,在正常工況下,當支架處于恒阻狀態(tài)(先導閥處于中位)時,由于控制閥中液控單向閥的作用,二通插裝閥的閥芯上、下兩端作用有大小相等的液壓(泵壓)力,采用普通結構型式的二通閥,在面積差的作用下,閥口能可靠地關閉,立柱下腔的高壓(安全閥的設定壓力)傳遞即被阻斷;但當控制閥中的液控單向閥不能及時關閉(故障導致)時,二通插裝閥的閥芯兩端會作用有大小不等的液壓力,若閥芯兩端面積比選擇不當,閥口將不能關閉,使高壓傳遞到管路及泵站系統(tǒng),產生嚴重后果。設計時,應考慮這種工況。由圖1可知,不同的二通插裝閥,閥芯兩端的作用壓力不同,應分別分析。(1)二通閥1其控制端作用著泵站壓力,閥前孔端作用著立柱安全閥的設定壓力(見圖4a),當閥開口量為x時,閥芯受力平衡方程為式中FPAP因插裝閥的結構原理和滑閥相同,穩(wěn)態(tài)液動力的作用也同于復位彈簧,使閥口趨于關閉經(jīng)整理得所需最小彈簧力為在不計彈簧力(與P在此面積比下,只需較小的彈簧力,即可使閥口可靠關閉。(2)二通閥2其閥芯上端和閥前孔端作用著泵站壓力,在閥芯臺肩環(huán)形面積上作用著立柱安全閥的設定壓力(見圖4b),其受力平衡方程為同理可得使閥芯關閉的條件為采這在結構上是不可能做到的,必需靠加大彈簧力才能使閥口可靠關閉。由式(7)可得所需最小彈簧力為設計中應先根據(jù)結構要求確定K,再由P因作用在閥3和4的閥芯上、下兩端的液壓力相等,對其閥芯面積比和彈簧力均無特殊要求,可按普通二通插裝閥設計。為保證密封性,對閥1應保證面積比要求,并適當加大;而對閥2則應保證最小彈簧力要求,并將面積比適當減小。2.2保證閥口的密閉性二通插裝閥內、外泄漏的存在,將會使閥不能嚴格關閉,破壞支架的工作性能,應盡量減少。由圖1可知,立柱承載腔(A腔)同時與兩個二通插裝閥1、2的閥口相通,要保證立柱在承載階段能可靠地支撐頂板,要求閥1和閥2的閥口密閉性要好,為此,可采取以下措施:(1)采用密封性好的座式鋼球換向閥作為先導閥,以防止控制液在閥中的內泄漏導致的二通閥不能可靠地關閉;(2)選用帶O形密封圈的閥芯,以減少閥芯和閥體間的內泄漏;(3)在閥體上增設橡膠彈性閥座,并將閥芯和閥座改為平面橡膠密封副(見圖4c),以使閥口能可靠地封閉。3采用插裝式控制閥的優(yōu)勢(1)采用插裝閥是與大流量泵站和大直徑供回液管路的合理匹配方案,利于支架向電液控制方向的過渡和發(fā)展。(2)采用插裝式