上海滬工閥門廠(集團(tuán))有限公司
摘要:目前井下礦山設(shè)備已廣泛采用液壓傳動和液壓控制技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)備所需要的動作,因此井下礦山設(shè)備遙控操縱的一個關(guān)鍵問題是,如何把多路電信號輸入轉(zhuǎn)換成多路液壓能輸出。6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥正是為解決這一問題而研制的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品不但實現(xiàn)了多路電信號到多路液壓能的成比例轉(zhuǎn)換,還具有體積小、質(zhì)量輕、輸出線性好、重復(fù)精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。木文就該閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、設(shè)計計算、性能測試、加工制造、應(yīng)用等方面進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞:電液比例閥;比例控制;遙控設(shè)備
1 引言
地下礦山有些地點(diǎn)的作業(yè)環(huán)境十分惡劣,為了保護(hù)操作人員的安全,使用遙控操縱的礦山設(shè)備是非常必要的。在國外,無線遙控的鏟運(yùn)機(jī)、有線遙控的混凝土噴射車、電腦控制的全自動鑿巖臺車等礦山設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,取得了良好的使用效果,改善了作業(yè)條件,降低了勞動強(qiáng)度,在保障作業(yè)人員安全的同時又提高了作業(yè)效率。在國內(nèi),遙控操縱的礦山設(shè)備的研制生產(chǎn)還處于起步階段,存在的一個重要問題是如何把多路控制電信號成比例地轉(zhuǎn)換成多路液壓能輸出,完成電-液的轉(zhuǎn)換工作。為實現(xiàn)這一突破,北京礦冶研究總院、楓陽液壓電磁元件廠、白銀有色金屬公司、北京重型汽車制造廠合作研制了適合礦山機(jī)械使用的 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥[1],該閥在實驗室的測試數(shù)據(jù)達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。為了驗證該閥的實際使用性能,在中國有色金屬工業(yè)總公司礦山機(jī)械化攻關(guān)項目 HPC-11 型混凝土噴射車研制過程中,替代進(jìn)口比例閥產(chǎn)品,取得了良好的使用效果,保證了該攻關(guān)項目的順利完成[2]。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥主要由主閥、先導(dǎo)減壓閥、比例電磁鐵和輔助閥四部分組成,見圖1。主閥是該比例閥的主體,包括主閥體、主閥芯和彈簧等。
圖1 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥主體結(jié)構(gòu)
(1)主閥體。其大小直接影響整個比例閥的體積,因此主閥體應(yīng)盡可能設(shè)計得小些。國內(nèi)一般采用每聯(lián)一片的分片式主閥體或整體式主閥體兩種形式。由于主閥體內(nèi)部通油孔道很多,又是主閥芯和輔助閥的包容殼體,在連接螺栓及內(nèi)部高壓油的作用下容易變形。比例閥是靠電磁力及先導(dǎo)油壓控制的,操縱力較小,容易卡閥,因此要求主閥體有較好的強(qiáng)度和剛度,防止閥芯卡住。分片式閥體比較單薄,很難同時滿足強(qiáng)度、剛度大而體積又小的要求。雖然可采取整體式的主閥體,加大主閥體的剛度,減小主閥體的體積,但多聯(lián)閥共用一個主閥體,主閥體的重量很大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,大大增加了加工難度,鑄件的廢品率也顯著增加,導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。另外,用戶在選用比例閥為不同的主機(jī)配套時,對比例閥的聯(lián)數(shù)及閥的中位機(jī)能會有不同要求,整體式主閥體的靈活性、互換性、通用性都很差,難以滿足要求。所以,在比例閥的設(shè)計中,采用每兩聯(lián)閥使用一個主閥體,即形成塊式的主閥體,這樣就兼顧了鑄造、加工、強(qiáng)度、剛度幾方面的要求,同時也有利于用該閥體組成不同聯(lián)數(shù)的比例閥,滿足用戶的不同需求。
此外,主閥體上還設(shè)計了輔助閥(包括過載閥、防空穴閥、單向閥)插裝孔,以便根據(jù)液壓系統(tǒng)需要插裝不同的輔助閥,使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)十分緊湊。
在主閥體與主閥體之間連接螺栓孔處,設(shè)計了薄墊片,減小主閥體在螺栓頂緊力下的整體變形,防止卡閥。
(2)主閥芯。采用圓弧節(jié)流槽作為主閥閥口,與三角形節(jié)流閥口相比,具有輸出線性好、抗污能力強(qiáng)、主閥芯不易被卡住等優(yōu)點(diǎn),這對保證比例閥可靠工作是很重要的。
(3)先導(dǎo)減壓閥。布置在主閥體的兩側(cè),每一聯(lián)主閥用兩個先導(dǎo)減壓閥來控制,每一個先導(dǎo)減壓閥控制主閥芯位移的一個方向和大小,達(dá)到控制流量大小和方向的目的。由于先導(dǎo)減壓閥是壓力控制元件,反饋的是油壓,對閥體沉割槽尺寸精度要求不高,設(shè)計中采用鉆閥通油孔同時形成閥體沉割槽的方式,減少機(jī)加工量,降低成本。
(4)比例電磁鐵。比例電磁鐵是電流一機(jī)械力轉(zhuǎn)換器件,鐵芯的純度、扼鐵的尺寸精度和摩擦性能都有很高要求。為了少走彎路,縮短研制周期,采用 GP 系列比例電磁鐵,該產(chǎn)品是德國 BSO 控制技術(shù)有限公司許可證產(chǎn)品,線性好、滯環(huán)小、質(zhì)量可靠,能夠滿足使用要求。
(5)輔助閥。為了簡化液壓系統(tǒng),減少管路連接,該電液比例閥除主閥、先導(dǎo)減壓閥、比例電磁鐵外,還在主閥體上集成有單向閥、減壓閥、安全閥、過載閥和防空穴閥,組成了多功能電液比例閥。
各輔助閥的功能為:①單向閥。安裝在每一聯(lián)的進(jìn)油路上,可防止工作時各聯(lián)的相互干擾,避免“點(diǎn)頭”現(xiàn)象。②減壓閥。減壓閥用來把工作系統(tǒng)高壓油減到 3.5MPa,作為控制油源,省掉專門的先導(dǎo)供油回路,簡化液壓系統(tǒng)。③安全閥。該閥是用來防止液壓系統(tǒng)油壓過高,保護(hù)液壓閥及系統(tǒng)安全。④過載閥和防空穴閥。該電液比例閥的每一聯(lián)都可插裝過載閥和防空穴閥。過載閥可防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)因受過大外力而引起的回路油壓過高,保護(hù)比例閥、液壓執(zhí)行元件及管路的安全。防空穴閥可對油路進(jìn)行補(bǔ)油,防止空穴產(chǎn)生。如果某一聯(lián)閥不需要過載閥或防空穴閥,可在插裝過載閥或防空穴閥的位置上加堵即可。
2.2工作原理
電液比例閥液壓原理見圖2。
圖2 電液比例閥液壓原理(1.先導(dǎo)減壓閥 2.比例電磁鐵 3.主閥 4.安全閥 5.單向閥 6.減壓閥 7.過載閥 8.防空穴閥)
首先,比例電磁鐵與先導(dǎo)減壓閥之間以比例電磁鐵定力-先導(dǎo)減壓閥定壓的方式相關(guān)連。比例電磁鐵在輸入電流后輸出機(jī)械力,推動先導(dǎo)減壓閥閥芯動作,關(guān)閉泄油口,接通先導(dǎo)供油油源,有先導(dǎo)油壓產(chǎn)生。先導(dǎo)油壓力反向作用于先導(dǎo)減壓閥閥芯,使其反向移動,直至與機(jī)械力平衡,產(chǎn)生與輸入電流成比例的先導(dǎo)控制油壓。
其次,主閥與先導(dǎo)減壓閥之間以先導(dǎo)定壓--主閥彈簧定位的方式耦連。由先導(dǎo)減壓閥輸出的控制油壓,在主閥芯端面上產(chǎn)生一個液壓作用力,使主閥芯克服彈簧彈力而移動,關(guān)閉中位泄荷閥口,開啟負(fù)載閥口。當(dāng)主閥芯上液壓作用力與彈簧力達(dá)到平衡時,主閥芯停留在與先導(dǎo)控制油壓相對應(yīng)的位置上,使主閥負(fù)載閥口產(chǎn)生一定的開度,有相應(yīng)的流量輸出。
總之,在額定電流范圍內(nèi),改變比例電磁鐵控制電流,先導(dǎo)減壓閥控制油壓隨之改變,主閥的負(fù)載閥口及輸出流量大小也隨之改變,從而起到成比例控制流量的作用。
當(dāng)比例閥某些聯(lián)不需要成比例控制時,只要把這些聯(lián)上的比例電磁鐵和先導(dǎo)減壓閥換成普通的電磁換向閥,就可改變成沒有中間狀態(tài)、只有開和關(guān)兩種狀態(tài)的普通液壓閥。
3 設(shè)計計算
比例電磁鐵、先導(dǎo)減壓閥及主閥三者之間的合理匹配是設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
3.1 先導(dǎo)控制油壓與主閥芯位移
六聯(lián)電液比例閥輸出流量是由主閥芯位移量來控制的,主閥芯的位移量又是由先導(dǎo)控制油壓產(chǎn)生的作用力,克服主閥芯復(fù)位彈簧彈力、摩擦力、液動力的結(jié)果。因摩擦力、液動力均很小,忽略不計。主閥芯有大、小兩個復(fù)位彈簧。取主閥芯直徑為 16mm,通過彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取和彈簧彈力的設(shè)計計算,可得下面計算公式:
p=0.13+0.28x
其中:p 為先導(dǎo)控制油壓;x 為主閥芯的位移(x≤6)
當(dāng)主閥芯移動到行程終點(diǎn)時(x=6mm),對應(yīng)的先導(dǎo)控制油壓為最大值 pmax=0.13+0.28×6=1.8MPa。由于有 2mm 的死區(qū),對應(yīng)閥口即將開啟時的先導(dǎo)控制油壓為最小值 pmin=0.13+0.28×2=0.7MPa。先導(dǎo)控制油壓變化范圍應(yīng)為 0.7~1.8MPa。
3.2 先導(dǎo)減壓閥閥芯所需推力
為了使主閥芯正常換向,先導(dǎo)減壓閥輸出油壓應(yīng)在 0.7~1.8MPa 之間變化。取減壓閥閥芯直徑為 5mm,通過減壓閥復(fù)位彈簧參數(shù)的選取可計算出先導(dǎo)減壓閥閥芯所需的推力范圍是 19~40.6N。
3.3 比例電磁鐵額定工作電流
比例電磁鐵選用型號為 GP35-4-A,該比例電磁鐵最大輸入電流為 1.2A,最大輸出推力可達(dá) 63N。由該產(chǎn)品樣本特性曲線可得,當(dāng)輸出推力為 40.6N 時,對應(yīng)的輸入電流為 800mA,此即為比例電磁鐵額定工作電流。
4 加工制造
該比例閥的核心組成部分是閥體和閥芯,這也是加工制造的關(guān)鍵。由于主閥體和主閥芯較先導(dǎo)閥體和先導(dǎo)閥芯在結(jié)構(gòu)上復(fù)雜得多,因而是加工制造的重點(diǎn)。
4.1 主閥體
主閥體由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通油孔道很多,對鑄件質(zhì)量要求很高。設(shè)計中主閥體采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵材料,這種材料具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn),還有較好的鑄造性能、機(jī)加工性能和減磨性能。在制造過程中采用特殊的電化學(xué)清砂方法,在化學(xué)腐蝕和熱應(yīng)力的共同作用下,無論是閥體表面還是深孔中的砂子都將從鑄件上剝離下來,清砂效果很好。
4.2 主閥芯
主閥芯工作時換向頻繁,易產(chǎn)生磨損,要求很高的表面硬度。為此采用 38CrMoAl 合金材料,配合滲氮處理,HV 達(dá)到 1000 以上,較好地滿足了使用要求。
4.3 配合間隙保證
主閥體與主閥芯配合間隙有很高要求。國外一般采用金剛石鉸刀加工閥孔,保證其尺寸公差和形位公差。由于制造專用金剛石鉸刀費(fèi)用很高,因此在研制過程中采用研配工藝,閥孔研好,用氣動量頭精確測量閥孔的尺寸,然后根據(jù)該尺寸配磨閥芯,直至達(dá)到配合間隙 0.008~0.015mm。
5 性能測試及主要技術(shù)參數(shù)
5.1 性能測試
六聯(lián)電液比例閥在進(jìn)行組裝和出廠調(diào)試后,在浙江大學(xué)液壓實驗室進(jìn)行了性能測試[4]。
輸出流量(Q)與穩(wěn)態(tài)輸入電流(I)特性曲線見圖 3。通過多次 Q--I 曲線測試得到,,滯環(huán) 6.1%,重復(fù)精度 1.9%,達(dá)到設(shè)計要求。國外同類產(chǎn)品該項的測試結(jié)果為:滯環(huán) 6.2%,重復(fù)精度 1.8%。國產(chǎn)元件與國外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)基木相同。
圖3 Q-I特性曲線
5.2 主要技術(shù)參數(shù)
6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥的主要技術(shù)參數(shù)為:公稱通徑 10mm、額定壓力 20MPa、額定流量 4OL/min、先導(dǎo)控制油源壓力 3.5MPa、回油口允許背壓 2MPa、比例電磁鐵額定電流 800mA、開關(guān)電磁鐵額定電壓 12V、滯環(huán) <7%、重復(fù)精度 <2%、頻寬 5Hz、質(zhì)量 31kg。
6 應(yīng)用
為了考核 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥的實際使用性能,將其應(yīng)用在新研制的 HPC-11 型混凝土噴射車上,用來控制該車上的有線遙控噴射機(jī)械手。噴射機(jī)械手的液壓系統(tǒng)原理見圖4。
圖4 噴射機(jī)械手的液壓系統(tǒng)(1.油泵 2.背壓溢流閥 3.六聯(lián)電液比例閥 4.雙向平衡閥 5.舉升油缸 6.油馬達(dá) 7.制動器 8.液動順序換向閥 9.梭閥 10.伸縮油缸 11.傾動油缸 12.折迭油缸 13.擺動油缸)
該比例閥的特點(diǎn)是可接收電控信號,而電控信號在運(yùn)算、處理、傳輸方面優(yōu)勢突出。因此,與該比例閥配套的有線遙控器上只需要兩個操縱手柄,即可完成對六聯(lián)比例閥的控制。噴射機(jī)械手上的六個動作油缸是由該比例閥控制的,因此實際工作時工人只需操縱有線遙控器上的兩個手柄,即可完成對噴射機(jī)械手六個動作的操縱控制。
HPC-11 型混凝土噴射車在礦山井下進(jìn)行了 400h 的工業(yè)試驗。該車由于采用了六聯(lián)電液比例控制,噴射機(jī)械手實現(xiàn)了有線遙控功能,噴射機(jī)械手的動作可遠(yuǎn)距離無級調(diào)節(jié)與控制,操縱自如。通過使用有線遙控器,操作者可在現(xiàn)場選擇適宜的工作地點(diǎn),以獲得較好的觀察角度,也使反彈的噴射料不會打到操作者身上,在提高作業(yè)安全性的同時,還提高了作業(yè)效率,減輕了工人的勞動強(qiáng)度,因此深受現(xiàn)場工人的歡迎。在整個工業(yè)試驗期間,該六聯(lián)電液比例閥工作良好,未出現(xiàn)任何故障,為混凝土噴射車研制工作的順利完成創(chuàng)造了有利條件。
7 結(jié)語
(1)6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥是一種新型的電液接口元件,實現(xiàn)了多路電信號到多路液壓能的成比例轉(zhuǎn)換。該閥的滯環(huán)、重復(fù)精度和頻寬等主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平,可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品,為國家節(jié)約外匯。
(2)該比例閥與傳統(tǒng)的手動操縱液壓閥相比,系統(tǒng)布置柔性加大、操縱方便、安全性好,可有線或無線遙控主機(jī)。由于以電信號為控制輸入信號,可以將計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自動控制技術(shù)引入到主機(jī)的控制之中,使主機(jī)上等級,擴(kuò)大使用范圍,提高工效,提高競爭能力。
(3)該比例閥適合在多種礦山設(shè)備上使用,如混凝土噴射車、鑿巖臺車、鏟運(yùn)機(jī)等。此外,還適合工程機(jī)械及建筑機(jī)械使用,如高空作業(yè)車、小型挖掘機(jī)、小型裝載機(jī)等,其推廣應(yīng)用前景十分廣闊。