煤矿用液压支架换向阀技术现状

1、煤矿用液压支架换向阀技术现状近年来，中国煤矿综采设备市场有一定的下滑趋势，但煤炭行业 的主体地位仍将长期存在。随着我国煤炭行业的深入发展，综采设备 机械化程度仍旧在快速地发展。推陈出新已成为必然。随着高产量、 高效能的需求和安全意识的增强，全面提升我国煤炭开采技术水平， 发展煤炭安全生产技术，提高煤矿抗灾能力，实现煤炭生产与生态环 境的和谐发展已迫在眉睫。针对煤矿综采技术的发展趋势，作为采煤 机械化不可或缺的关键支护设备，液压支架必然向高工作阻力、大采 高、高性能、高可靠性以及高寿命的高端支架方向发展。一、换向阀在液压支架中的作用液压支架是通过液压泵站提供的高水基乳化液经过管路、液压控 制元件

2、和执行元件来实现能量的传递和转换，从而达到顶板支撑、升 架、降架、移架和推移工作面采运设备的目的。液压支架作为综采工 作面的主要配套设备，占到综采设备总资金的70%以上。从作用上看， 液压支架直接决定着综采工作面能否实现安全高效生产。首先它必须 适应工作面煤层顶板、底板条件，为工作人员提供安全的作业空间， 其次为采运设备提供有效的动力源，它决定着生产的正常推进速度。 随着近年来充填液压支架的发展，立柱缸径不断增大，支架高度和宽 度不断增加，工作阻力越来越大。目前，立柱缸径可达600mm，X 作阻力可达*kN，支护高度可达到8m。对移架速度，工作稳定性， 可靠性以及寿命，可维护性等方面都提出了更

3、高的要求。换向阀是液 压支架三大主要控制元件之一，也是液压支架中所需数量最多的阀类 元件。根据功能需求，成组使用。换向阀组主要用于改变工作介质的 流动方向，从而控制液压执行元件的动作，在液压支架上主要用于立 柱、千斤顶油缸上下腔进回液换向，即控制液压缸活塞杆的伸出、缩 回或停止，实现升架、降架、移架、保压等功能。二、换向阀的技术现状随着液压支架性能要求的不断提升，换向阀需要具备操作力矩小， 操纵方便，动作准确可靠，操作时不会产生误动作，密封稳定可靠， 无漏损或漏液损伤小等特点。换向阀的这些性能直接决定着各执行机 构立柱、千斤顶的稳定性和可靠性，同时，也间接决定着煤矿的生产 效率。2.1换向阀结

4、构换向阀的工作原理是将高压液体通过操纵手柄把液体送到设计 所需的各个执行元件（如立柱、千斤等）。它有高压口和回液口，当 操纵手柄时高压口的压力液体就向所操纵的一侧出口供液使之作用 于立柱下腔而上腔的液体则通过回液口及回液管回到油箱。目前，液压支架换向阀的结构实际上为采用Y型中位机能的三位 四通阀。由一个操纵机构同时控制两个的二位三通阀。每一个三位四 通阀控制一个或多个执行元件。根据液压系统功能需要，可将一片尾 片阀与数片中片阀通过双头螺柱固定在配液板上组成换向阀组，从而 分别控制多个执行元件。换向阀的公称流量主要有125L，200L，400L， 500L等，公称压力为31.5MPa；操纵机构的

5、操纵力通常为10N-15N； 进回液密封副通常采用金属对优质工程材料的平面或锥面密封替代 煤研3号等普通密封材料，抗污染能力提高，使用寿命增长。内部结 构采用零件与组件相结合的方式，即阀芯组件与阀杆组件单独装配后 形成组件，其余零件单独装配。在装配，维护时有一定的弊端，弹簧 通常采用普通的镀锌弹簧。2.2换向阀的密封方式由于液压支架的液压系统使用的介质是高水基乳化液（5%乳化油 和95%中性水），该介质黏度几乎接近于水，所以液压支架换向阀无 法做成像油介质所用的间隙密封方式，通常采用接触式密封方式。常 用的有硬对硬（钢对钢）、钢对工程塑料、钢对橡胶等结构。煤矿条 件恶劣，难免有小比率的阀渗漏窜

6、液，则整个工作面的渗漏窜液总量 就相当严重。因此对高压二位三通阀的密封性、可靠性、寿命及易于 更换维护等性能要求特别高。同时，煤矿开采要达到高产高效，要求 支架完成降、移、升循环的时间控制在812s,对换向阀提出了高压 大流量及频繁换向时达到较高可靠性和寿命的设计要求。目前国内支 架换向阀最大流量已达到500L/min。国外生产的液压支架一般用的 是电液控制阀，自动化程度高。常见的换向阀阀芯密封副大致可分为两种：一种硬密封，一种软 密封。软密封锥形密封根据其结构简单、便于制造，密封性能好等优 点已得到广泛应用。密封结构通常采用不锈钢锥形密封阀芯，而密封 座则用PEEK高温聚合塑料制造。尽管钢材

7、或铜合金的机械性能如强 度、表面硬度，远比PEEK高，制作成阀座也不难，但对其与阀芯相 接触（构成密封）的表面要求很高，而且安装要求如同轴度等，对介 质的要求都较严格，极易造成密封失效，甚至无法修复的硬伤。而采 用PEEK只要合理利用其特性又能限制其在压力状态下的变形，就可 以实现可靠密封。在阀芯阀口与阀座间的接触密封时，尽管密封副的 加工公差、跳动度和表面粗糙度等很精密，但在锥面的接触过程中， 由于密封副的配合和密封座的变形，并不是面接触密封而是线接触密 封，锥形密封结构设计加工过程中，要根据材质控制阀芯和阀座锥面 角度不同，保证先接触密封，才能够有效提高锥形密封副的接触密封 性。2.3换向

8、阀常见故障国内手动片式换向阀组常见故障有:中位串液;工作位串液； 操纵机构故障；抗污染能力差；寿命低和可靠性差。随着煤矿 高产高效对液压支架的升架、降架、移架速度要求越来越高，对液压 支架的工作阻力和所配套的各种液压缸的缸径和换向阀阀的流量提 出了新的要求，即大工作阻力，大缸径、大流量，由此大流量换向阀 应运而生。由于换向阀零件较多，生产工艺复杂，且采用软密封，密 封件在受到大流量高压液体的冲击下极易损伤，一些企业转而采用硬 密封，将进回液阀芯结构进行一体化设计，减少零件数量，但对加工 要求苛刻，一般企业很难满足要求。2.4换向阀的计算机辅助设计利用计算机作为工具来研究换向阀的结构和实际工作时

9、的动态 特性已成为发展的必然趋势。通过理论推导建立已有换向阀的数学模 型，对实验结果与仿真结果进行比较，验证数学模型的准确度，并把 这个数学模型作为今后改进和设计类似元件的仿真依据，具有极大的 现实意义。同时，通过动态结构仿真，研究主要参数对整体动态特性 的影响，确定参数的最佳匹配，提供实际设计所需的数据。目前，在 液压元件设计方面，国内传统设计中只考虑元件静态特性，而很少涉 及其动态特性，这在安全性要求越来越高的液压支架用阀的设计中已 越来越不能满足实际需求。近年来，许多科技工作者和工程技术人员 已做了很多工作，并取得了一定成果。国外，1994年The MathWorks 公司即推出了可运行于Microsoft Windows下的Simulink用来对动态 系统进行建模仿真的分析包。国内，浙江大学推出了 Simul/ZD液压 仿真专用软件。如今*S、FLUENT、STAR-CD以及CFX等分析软 件发展迅速，极大地缩短了开发周期，降低了成本，受到越来越多的 重视。三、小结随着原MT 419-1995液压支架用阀标准的升级（GB*.3-2010 煤矿用液压支架（第三部分：液压控制系统及阀）已颁布目前为过渡 期），目前插装式阀芯组件已广泛应用到电液控换向阀等高端阀，普 通的阀类应用国内目前正在进一步发展中，尚未形