液压支架立柱操纵阀的设计与应用

液压支架立柱操纵阀的设计与应用

现代煤矿综合采区的采运能力不断增强，大型辅助设备的能源支架必须用于连接到大井径、强大的支撑和快速臂架的方向，从而增加能源系统的工作流量。为了满足支架对提高采空速度的要求，迫切需要配置大型流量回收液系统。目前流量为315L/min的五柱塞大流量泵站已投入使用,直径为64mm的回液管和直径为51mm的高压供液胶管已有定型产品。然而大流量操纵阀的研制却一直处于滞后状态,已成为制约提高移架速度的瓶颈。因此,迫切需要研制和选用与大流量泵站和大直径管路相匹配的大流量操纵阀。由于历史的延革和设计、使用习惯的影响,目前液压支架所使用的都是片式操纵阀,若维持原片阀总体结构不变或略加改变,仅靠加大进回液孔径和通流面积来增加通流能力,势必会带来阀体积加大、压力和泄漏损失增加、工作性能变坏等负面效应。若能采用通流能力大、密封性能好的二通插装阀作为支架液压系统的操纵和控制阀,不论是从根本上提高回液过流能力,减小回液阻力,改善工作性能,利于集成化安装,还是从顺应支架向电液控制和采用纯水介质方向发展的趋势考虑,都是值得肯定的设计方案,应引起有关方面的足够重视,为支架液压系统的设计开辟一条新的设计道路。立柱是液压支架的主要构件,能否可靠工作,对支架的工作性能有重要影响。由于工作压力高,工况复杂、多变,应首先研究、解决用插装阀设计立柱操纵及控制系统的技术问题,再推广、应用到其它油缸系统中。1干预系统的设计用插装阀取代片式操纵阀组成液压支架立柱操纵系统有手动和电磁先导控制二种,分别适用于普通型和电液先导控制支架。1.1通阀的关闭如图1所示,采用4个二通插装阀和1个手动三位四通先导阀组成的方向阀控制立柱的动作。立柱的上腔经插装式方向阀中二通阀3的B口和泵站相连,下腔经插装式方向阀中二通阀2的A口及控制阀中的液控单向阀和泵站相连。当方向阀中的先导阀处于左位和右位时,分别控制立柱的伸出和缩回。当方向阀中的先导阀处于图示中位时,二通阀2和3的阀口均被关闭,立柱上下腔的油路都被封闭,支架处于恒阻支撑工作状态。为使在泵站或管路发生意外故障,造成突然失压时,阀1、2也必须可靠关闭,以免造成严重后果,而在方向控制阀的进油管路中设置了单向阀5,以在失压时封闭4个二通阀1、2、3、4的上腔,使其可靠关闭。此种控制方式可用于普通架型。1.2电液先导系统如图2所示,将插装式方向阀中的手动先导阀改为电磁阀,将控制信号传递给先导阀电磁铁1YA和2YA,使其切换阀位,即可方便地实现对立柱的电液控制,其工作原理同于现有的电液控制系统中的电液操纵阀。该种控制方式可用于电液控制支架。1.3压力稳定稳定如图3所示,该系统是采用插装式溢流阀和液控单向阀组成的插装式控制阀,取代普通控制阀实现对立柱工作过程的控制。其工作过程为:当顶板下沉和老顶周期来压,使立柱下腔的压力上升至控制阀中溢流阀的调定压力时,二通阀b的阀口开启卸载,使立柱下腔的压力降低,当压力降低到溢流阀的调定压力以下时,二通阀b又迅速关闭,恢复工作阻力,以后将不断地重复这个过程,使支架实现恒阻支撑。需要降架时,将方向阀中的先导阀切换至右位,二通阀3的上腔通油箱,阀口开启,压力液经该阀口进入立柱上腔,同时将控制阀中液控单向阀的液动二位二通先导阀切换至左位,使二通阀a的上腔通油箱,阀口开启,立柱下腔经此阀口回液,实现降架。由于插装式溢流阀是采用先导控制,工作压力的波动范围小、响应快、启闭灵敏,将减少支架工作阻力的波动范围,改善恒阻性能;又由于插装阀的通流能力大,在周期来压强烈的顶板条件下工作时无需加设工作可靠性差的专用充气式大流量安全阀,即满足使用要求,又简化系统,提高了工作可靠性。此种控制方式可用于在坚硬顶板条件下工作的支撑式支架,也有手动(将先导阀换为手动控制即可)和电磁控制两种型式。2关于问题的讨论鉴于液压支架的特殊工况,为保证液压支架和泵站系统能安全、可靠地工作,需对用于液压支架的插装阀结构加以分析研究,提出具体要求。2.1阀芯两端面积比和弹簧力由液压支架立柱工作特性及图1可知,在正常工况下,当支架处于恒阻状态(先导阀处于中位)时,由于控制阀中液控单向阀的作用,二通插装阀的阀芯上、下两端作用有大小相等的液压(泵压)力,采用普通结构型式的二通阀,在面积差的作用下,阀口能可靠地关闭,立柱下腔的高压(安全阀的设定压力)传递即被阻断;但当控制阀中的液控单向阀不能及时关闭(故障导致)时,二通插装阀的阀芯两端会作用有大小不等的液压力,若阀芯两端面积比选择不当,阀口将不能关闭,使高压传递到管路及泵站系统,产生严重后果。设计时,应考虑这种工况。由图1可知,不同的二通插装阀,阀芯两端的作用压力不同,应分别分析。(1)二通阀1其控制端作用着泵站压力,阀前孔端作用着立柱安全阀的设定压力(见图4a),当阀开口量为x时,阀芯受力平衡方程为式中FPAP因插装阀的结构原理和滑阀相同,稳态液动力的作用也同于复位弹簧,使阀口趋于关闭经整理得所需最小弹簧力为在不计弹簧力(与P在此面积比下,只需较小的弹簧力,即可使阀口可靠关闭。(2)二通阀2其阀芯上端和阀前孔端作用着泵站压力,在阀芯台肩环形面积上作用着立柱安全阀的设定压力(见图4b),其受力平衡方程为同理可得使阀芯关闭的条件为采这在结构上是不可能做到的,必需靠加大弹簧力才能使阀口可靠关闭。由式(7)可得所需最小弹簧力为设计中应先根据结构要求确定K,再由P因作用在阀3和4的阀芯上、下两端的液压力相等,对其阀芯面积比和弹簧力均无特殊要求,可按普通二通插装阀设计。为保证密封性,对阀1应保证面积比要求,并适当加大;而对阀2则应保证最小弹簧力要求,并将面积比适当减小。2.2保证阀口的密闭性二通插装阀内、外泄漏的存在,将会使阀不能严格关闭,破坏支架的工作性能,应尽量减少。由图1可知,立柱承载腔(A腔)同时与两个二通插装阀1、2的阀口相通,要保证立柱在承载阶段能可靠地支撑顶板,要求阀1和阀2的阀口密闭性要好,为此,可采取以下措施:(1)采用密封性好的座式钢球换向阀作为先导阀,以防止控制液在阀中的内泄漏导致的二通阀不能可靠地关闭;(2)选用带O形密封圈的阀芯,以减少阀芯和阀体间的内泄漏;(3)在阀体上增设橡胶弹性阀座,并将阀芯和阀座改为平面橡胶密封副(见图4c),以使阀口能可靠地封闭。3采用插装式控制阀的优势(1)采用插装阀是与大流量泵站和大直径供回液管路的合理匹配方案,利于支架向电液控制方向的过渡和发展。(2)采用插装式