(中國煤炭科工集團太原研究院， 山西太原 030006)

引言

防爆電比例多路閥作為負載敏感液壓系統(tǒng)中的主要控制元件，已廣泛應(yīng)用于煤礦井下自動化、智能化裝備的負載敏感液壓控制系統(tǒng)中。該類型元件集成化程度較高、加工難度較大，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計及加工技術(shù)暫無法達到國外同等水平， 目前該元件在煤機裝備中以進口德系、美系為主。但其采購周期較長約12個月，嚴重影響了井工煤機智能化裝備的設(shè)計周期及更新速度。開發(fā)了一種防爆負載敏感電比例多路換向閥組，以在某種程度上部分(流量小于40 L/min)取代國外進口的負載敏感防爆電比例多路閥。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者未對疊加插裝式的防爆負載敏感比例閥組進行研究。本研究設(shè)計的閥組在滿足負載敏感比例多路閥的工作要求的同時，加工制造周期大大縮短，將有效提高主機的設(shè)計周期、更新速度及市場響應(yīng)速度；同時，該閥組的設(shè)計研究也為相關(guān)技術(shù)的專業(yè)人員在設(shè)計負載敏感液壓系統(tǒng)的過程中，對負載敏感防爆電比例多路閥的設(shè)計和使用提供了新的思路。首先對防爆負載敏感比例多路閥原理進行分析，提出閥組的設(shè)計要求并設(shè)計防爆負載敏感多路換向閥組的液壓原理圖，其次采用靜態(tài)理論分析對其進行壓流特性研究，然后根據(jù)設(shè)計要求及負載敏感特性進行閥組的設(shè)計及元部件選型，最后建立防爆負載敏感多路換向閥的AMESim仿真模型進行動態(tài)仿真，驗證其正確性。結(jié)果顯示，設(shè)計的新型兩聯(lián)防爆負載敏感多路換向閥組滿足系統(tǒng)的工作要求。

1 兩聯(lián)防爆負載敏感多路換向閥組的液壓原理設(shè)計及分析

1.1 設(shè)計要求

防爆電比例多路閥液壓系統(tǒng)的特點為主閥芯換向控制為電磁鐵比例控制換向和壓流按需供給。壓流按需供給即該閥組同時控制的多個執(zhí)行機構(gòu)組合動作或同時動作時，執(zhí)行元件的壓力和流量按照執(zhí)行機構(gòu)所需的壓力和流量按需供給且多聯(lián)供油壓流互不干涉[1-6]。參照防爆電比例多路閥的液壓工作原理及特點，防爆負載敏感比例多路閥組需滿足以下設(shè)計要求：

(1) 每聯(lián)換向閥主閥芯的換向控制采用電磁驅(qū)動比例控制，使系統(tǒng)執(zhí)行元件具有無級調(diào)速功能[2]；

(2) 多路閥控制的執(zhí)行元件組合動作或同時動作時，每聯(lián)的壓力和流量按需供給互不干涉[7]；

(3) 多路閥組具有二次限壓的基本功能，保護多路閥及執(zhí)行元件超壓損壞；

(4) 換向閥主閥芯回中位執(zhí)行機構(gòu)停止動作時，壓力反饋管路具有泄掉殘壓功能，使系統(tǒng)不會高壓待機[5]。

1.2 原理設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，且多路閥每組換向聯(lián)工作原理相同，為便于分析簡化多路閥原理，設(shè)計兩聯(lián)防爆負載敏感比例閥組原理圖如圖1所示。防爆負載敏感兩聯(lián)比例多路閥組由首聯(lián)、中間換向聯(lián)、尾聯(lián)組成。中間換向聯(lián)為模塊化設(shè)計，每個換向聯(lián)的原理都相同，由壓差補償器3、防爆電比例換向閥4和梭閥5，6，7組成，完成執(zhí)行機構(gòu)的換向及流量控制；首聯(lián)由濾油節(jié)流器8、二次限壓閥9組成。每個中間換向聯(lián)中壓差補償器3用于補償換向閥4前后壓差，以保持換向閥4前后壓差保持不變；防爆電比例換向閥4采用防爆電磁鐵作用使主閥芯換向，使閥組具有MA認證，符合煤礦井下準入規(guī)定，同時換向閥可以比例換向，使閥組具備無級調(diào)速功能；單向閥5和6用于采集換向閥A，B口的負載壓力，并取兩者較高壓力進行反饋；單向閥7負責反饋每聯(lián)閥組最高壓力并與其它聯(lián)進行比較，反饋閥組多聯(lián)換向閥控制的所有執(zhí)行機構(gòu)負載中的最高壓力。防爆負載敏感兩聯(lián)比例多路閥組的首聯(lián)中節(jié)流濾油器8負責泄掉壓力反饋管路中的殘壓，同時具有過濾功能，防止小節(jié)流孔堵塞；二次限壓閥9限制了多路閥控制系統(tǒng)的最高壓力，負責對多路閥的二次壓力保護。

1.3 流量特性分析

分析第一聯(lián)換向閥的流量特性，壓差補償器3的平衡方程為：

p1-p2=FS3/A4=Δp4

(1)

式中，p1—— 壓差補償器的出口壓力，也是換向閥4的入口壓力

p2—— 壓差補償器左端彈簧腔的作用壓力，也是換向閥4的出口壓力

A4—— 壓差補償器左端液壓油作用截面積，恒定不變

FS3—— 壓差補償器閥芯左端所受彈簧作用力，恒定不變

由于FS3/A4保持不變，換向閥4前后壓差Δp4保持不變。

換向閥4的流量方程為：

(2)

式中，Q4—— 通過換向閥4主閥芯的流量

（3）開設(shè)“茶產(chǎn)品分析與檢驗”課程是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的需要。創(chuàng)新能力是大學(xué)生應(yīng)具備的基本能力之一，該課程的開設(shè)對于提高學(xué)生的實驗技能、科研素質(zhì)、產(chǎn)品創(chuàng)新能力等均有重要作用。茶學(xué)學(xué)生在該課程之后的專業(yè)學(xué)習中，還會有“制茶學(xué)”“茶葉深加工與綜合利用”“畢業(yè)論文”等后續(xù)課程，還要開展科技創(chuàng)新活動，均會涉及到產(chǎn)品的分析檢驗，以了解茶產(chǎn)品的品質(zhì)。所以，該課程的開設(shè)，有利于學(xué)生今后的學(xué)習和創(chuàng)新能力的提高，從而促進個人發(fā)展。

A4—— 閥芯的開口面積

Δp4—— 閥芯前后壓差

Cd—— 流量系數(shù)

ρ—— 液壓油密度

流量系數(shù)和密度變化忽略不計，假定Cd，ρ保持不變。從式(2)可知，換向閥流量僅與換向閥的開口面積與閥口前后壓差有關(guān)。

由式(1)、式(2)可知，當調(diào)定壓差補償器的彈簧壓力后，換向閥4的流量Q4與閥口的開口面積A4線性正相關(guān)。

第二聯(lián)換向閥的調(diào)速原理與第一聯(lián)相同，即在系統(tǒng)流量飽和的情況下，每聯(lián)的流量僅與每聯(lián)換向閥的閥芯開度有關(guān)，多聯(lián)之間的流量互不干涉。該原理符合負載敏感比例多路閥的工作要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型

2.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

防爆負載敏感比例兩聯(lián)多路閥組采用板式閥、插裝閥和專用閥塊相結(jié)合的方式進行結(jié)構(gòu)布局。

如圖2所示為設(shè)計的防爆負載敏感比例兩聯(lián)多路閥的三維模型圖。防爆電比例換向閥使用板式閥，壓差補償閥、溢流閥、單向閥、泄油節(jié)流堵使用插裝閥。設(shè)計專用閥塊，其內(nèi)部流道按照原理圖進行流道設(shè)計鉆直孔、斜孔和工藝孔，加工可供板式閥、插裝閥安裝的標準安裝孔和插件孔，閥塊外部共用P，R，T，LS口，盡量減少外部膠管數(shù)量。

圖2 三聯(lián)電磁換向閥組的三維模型圖

2.2 元件選型設(shè)計

兩聯(lián)防爆負載敏感比例多路閥組主要功能性閥件包括5種合計12個，主要閥件的選型表如表1所示。首聯(lián)由溢流閥和節(jié)流濾油器組成，溢流閥CP208-3-B-0-A-C-290實現(xiàn)多路閥的二次壓力保護，壓力可調(diào)，調(diào)定壓力為21 MPa，泄油節(jié)流堵用于卸掉負載反饋管路中的殘留壓力，泄油節(jié)流堵孔徑僅為0.51 mm，具備防堵過濾功能。2個換向聯(lián)結(jié)構(gòu)相同，分別由1個防爆比例電磁換向閥、1個壓差補償閥、3個單向閥組成，防爆電比例換向閥GDBFW-02-3C40-D24A/52具備MA防爆認證，其主閥芯由防爆電磁鐵比例驅(qū)動實現(xiàn)閥口與電流大小比例變化；壓差補償閥LPBC-XFN用于補償換向閥閥口前后壓差功能， 實現(xiàn)換向閥閥口前后壓差保持0.7 MPa恒定不變；3個單向閥取每聯(lián)換向閥中壓力油A，B口的最高壓力，反饋給壓差補償閥，同時A，B口的最高壓力通過單向閥與其它聯(lián)的反饋壓力進行對比，選高壓反饋至負載敏感泵。

表1 兩聯(lián)防爆負載敏感比例多路閥組閥件選型表

3 壓流特性仿真分析

3.1 負載敏感系統(tǒng)模型建立

根據(jù)兩聯(lián)防爆負載敏感比例閥組液壓系統(tǒng)原理圖(圖1)建立AMESim仿真模型[8-12]，如圖3所示。

圖3 兩聯(lián)防爆負載敏感比例閥組AMESim仿真模型

該模型由1個負載敏感泵模型、兩個負載敏感比例換向閥模型、4個模擬負載三部分組成。如圖3所示，變量泵1、變排量機構(gòu)2、壓力切斷閥3、LS閥4構(gòu)成負載敏感泵模型；壓差補償器5、單向閥6、梭閥7、電比例換向閥8組成第一聯(lián)換向閥；壓差補償器11、單向閥12、梭閥13、電比例換向閥14構(gòu)成第二聯(lián)換向閥；可調(diào)壓溢流閥9和10分別模擬第一聯(lián)控制的負載壓力，可調(diào)壓溢流閥15和16分別模擬第二聯(lián)控制的負載壓力。設(shè)定變量泵的排量為145 mL/r，轉(zhuǎn)速為1480 r/min。為驗證負載敏感比例換向閥多執(zhí)行結(jié)構(gòu)的流量不受負載變化的影響，設(shè)定第一聯(lián)負載9和10的負載模擬壓力為15 MPa，第二聯(lián)負載15和16的負載模擬壓力為12 MPa，同時設(shè)定壓差補償器5和11的彈簧預(yù)壓力為0.7 MPa；為驗證比例換向閥的流量比例特性，設(shè)定主閥芯8和主閥芯14的閥口形式為兩個4 mm×1.8 mm×4 mm的矩形口，主閥芯0～4 mm位移、閥口面積0～14.4 mm2與輸入電流0～80 mA線性比例變化；LS閥4彈簧預(yù)壓力為2 MPa，為負載敏感泵待機壓力；壓力切斷閥3彈簧預(yù)壓力為25 MPa。

3.2 動態(tài)仿真分析

為充分分析負載敏感比例多路閥的動態(tài)特性，輸入第一聯(lián)和第二聯(lián)比例換向閥的電流驅(qū)動主閥芯位移相同，閥芯位移變化圖如圖4所示，輸入第一聯(lián)和第二聯(lián)的負載壓力不同，負載變化圖如圖5所示。系統(tǒng)仿真40 s，采樣時間間隔為0.01 s，主閥芯完成中位-右位-中位-左位-中位的一個完整循環(huán)運動。圖6為第一聯(lián)A口、B口和第二聯(lián)A口、B口的流量實時變化圖；圖7為壓差補償器5和11的壓差實時變化圖。

圖4 閥8和閥14主閥芯位移變化圖

圖5 負載模擬壓力實時變化圖

圖6 負載流量實時變化圖

圖7 壓差補償器壓差實時變化圖

0～5 s，換向閥8和14主閥芯位移為0閥口未開啟，可知兩聯(lián)多路閥流量都為0，如圖7所示，壓差補償器入口壓力約為3 MPa，該壓力相較于負載敏感泵的待機壓力2 MPa略高的原因是由于泵啟動時泵的沖擊壓力被泵出口單向閥鎖壓保壓造成；

5～10 s，主閥芯從0直線比例向右移動至4 mm，兩個換向閥8和14的A口的開口度從0線性變化至14.4 mm2。圖6可知，兩個換向閥A口流量都隨主閥芯比例位移而比例增大到約25 L/min，負載壓力15 MPa 的第一聯(lián)的流量波動比第二聯(lián)負載壓力12 MPa 的流量波動較大；圖7所示，第一聯(lián)換向閥8的壓差補償器5的出口壓力(即換向閥8閥口入口壓力)和出口壓力(即負載反饋壓力)在換向閥閥口開啟初始狀態(tài)時壓力有波動，持續(xù)約1 s，之后壓差保持0.7 MPa不變，恒定的閥口壓差，保證了閥口流量僅和開口度大小成線性比例關(guān)系；分析可知兩聯(lián)換向閥流量比例特性較好；

10～15 s，主閥芯保持最大開口度14.4 mm2。圖6所示兩聯(lián)換向閥流量都基本保持不變，約為25 L/min；圖7所示閥口前后壓差保持約0.7 MPa不變；分析可知，多路閥兩聯(lián)壓力不同，但兩聯(lián)流量相同，流量與負載變化無關(guān)，兩聯(lián)流量互不影響；

15～20 s，主閥芯從4 mm比例直線移動至0，即閥芯開口度從最大變化至零，圖6可知流量從約25 L/min線性變化至0，圖7所示的閥口前后壓差基本保持不變；

20～40 s，主閥芯向左運動，仿真結(jié)果與0～20 s閥芯先右運動基本相同。

運動仿真結(jié)果顯示，換向閥的流量與閥芯開口度線性比例特性較好，兩聯(lián)防爆負載敏感比例多路閥每聯(lián)的流量不受負載不同影響。

4 結(jié)論

本研究采用靜態(tài)理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)模擬仿真相結(jié)合的方式，設(shè)計一種防爆負載敏感比例多路換向閥組。通過分析負載敏感比例多路閥的特性，設(shè)計了板式閥、插裝閥和專用閥塊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式的兩聯(lián)防爆負載敏感比例多路閥組，通過靜態(tài)理論分析和AMESim動態(tài)仿真分析顯示該閥組具備負載敏感比例多路閥的壓流特性，結(jié)果顯示新型防爆電比例多路閥組(單聯(lián)流量小于40 L/min)的流量比例特性和壓流互不影響特性滿足設(shè)計要求，可替代進口的負載敏感比例多路閥。該閥組的設(shè)計將為相關(guān)設(shè)計人員尤其煤礦智能裝備設(shè)計人員提供了負載敏感系統(tǒng)及元件開發(fā)的新的思路和選擇。下一步將對大流量疊加插裝式防爆負載敏感比例多路閥組進行進一步研究，以擴大疊加插裝式防爆負載敏感比例多路閥的應(yīng)用范圍。