提升機雙泵液壓站中液動換向閥的設計

肖鵬高，藺志澤，馬一春

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

礦井提升系統是礦山開采的關鍵設備，主要承擔全礦的煤炭、礦石、廢石等的提升任務，以及人員、設備、材料等的運送任務。液壓站是礦井提升機重要的安全和控制部件，它和盤形制動器組合成為一套完整的制動系統[1]。

為提高制動系統的安全可靠性，液壓站通常設計有備用裝置。目前，提升機液壓站常用的備用裝置設計方案有以下 3 種。

(1) 雙泵液壓站 該方案中，1 套制動系統配置1 臺液壓站。液壓站上設計 2 套泵裝置+1 套液壓閥組，2 套泵裝置互為備用，1 套液壓閥組共用。當工作泵出現故障時，通過電控程序可實現備用泵的自動切換。

(2) 雙系統液壓站 該方案中，1 套制動系統配置 1 臺液壓站。液壓站上設計 2 套液壓系統，互為備用。當工作液壓系統出現故障時，通過人工調整出油口球閥及電控程序，可實現備用液壓系統的切換。

(3) 雙液壓站 該方案中，1 套制動系統配置 2臺完全相同的液壓站。每臺液壓站上設計 1 套完整的液壓系統，2 臺液壓站互為備用。當工作液壓站出現故障時，通過人工調整出油口球閥及電控程序，可實現備用液壓站的切換。

上述方案中，雙泵液壓站結構最簡單，備用裝置切換最方便，安裝空間最小，經濟成本最低；因此，在用戶對價格、安裝空間比較敏感的項目中，經常選用此方案。

雙泵液壓站中，2 套互為備用的泵裝置通過液動換向閥向 1 套共用的液壓閥組供油。為了保證泵裝置的可靠切換，液動換向閥必須具備可靠的性能。常用的板式液動換向閥，其安裝面上油孔眾多，閥組油路塊設計復雜，同時還存在液動換向閥閥芯容易卡阻、彈簧使用壽命短等問題，使用效果不佳?；诖?，本研究提出一種基于二通插裝閥設計的新型液動換向閥。

1 雙泵液壓站

1.1 組成及工作原理

以中信重工生產的恒力矩安全制動雙泵液壓站為例，其原理如圖1 所示。雙泵液壓站由油箱 1、互為備用的 2 套泵裝置、1 套共用的液壓閥組組成。其中，泵裝置由液壓泵 2、電動機 3、過濾器 4、比例溢流閥 5 構成；液壓閥組由液動換向閥 6、電磁換向閥(7、11、12、16、17)、溢流閥 8、單向節流閥 9、蓄能器 10、壓力傳感器 13、過濾器 14、出油口球閥 15構成。連接管路將液壓站出油口 B 和盤式制動器連接。

圖1 雙泵液壓站工作原理Fig.1 Working principle of dual-pump hydraulic station

1.2 主要功能

1.2.1 工作制動

液壓站可以為盤式制動器提供不同油壓的壓力油，油壓的變化由電液比例溢流閥來調節。制動系統正常工作時，電動機 3.1 通電，電磁鐵 G3、G4、G5、G6、G7 得電，液壓泵 2.1 的壓力油經過過濾器4.1、液動換向閥 6、電磁換向閥 7、過濾器 14、球閥15 和出油口 B 進入盤式制動器。司機可以通過調節比例溢流閥 5.1 的比例電磁鐵，以控制電壓實現油壓的變化，從而達到調節制動力矩的目的。當控制電壓增加時，系統油壓升高，制動器開閘；當控制電壓減小時，制動系統油壓下降，制動器合閘；當控制電壓減小至零時，制動系統的油壓最低，降為殘壓，提升機處于完全制動狀態。

1.2.2 安全制動

礦井提升系統發生故障時，提升機必須實現緊急制動。此時，電動機 3.1、比例溢流閥 5.1 的比例電磁鐵，以及電磁鐵 G3、G4、G7 斷電，盤式制動器油壓降為溢流閥 8 的調定壓力p1級值，即第一級制動油壓值；保壓至時間繼電器動作時，電磁鐵 G5、G6斷電，油壓降到零，實現全制動。在延時過程中，蓄能器 10 起穩壓補油作用，調節單向節流閥 9 的開度可調節其補油速度，使延時過程中p1級值基本穩定在要求值[2]。

2 液動換向閥的應用

液動換向閥是利用控制油路的壓力油在閥芯端部所產生的液壓力來推動閥芯移動，從而改變閥芯位置的換向閥。提升機雙泵液壓站上常用的國產 23Y 型板式液動換向閥如圖2 所示。其安裝面上有 2 個進 (出)油口 B 和 A、1 個出 (進) 油口 P、1 個控制油口 K，以及 1 個泄油口 L。在雙泵液壓站中，液動換向閥在泵裝置切換時使用，工作泵裝置連接 A 口，備用泵裝置連接 B 口。工作泵裝置運行時，閥芯在彈簧力的作用下被推向左側，壓力油經 A → P 流向液壓閥組供油孔；當工作泵裝置故障時，電控系統控制工作泵的電動機斷電，備用泵的電動機通電，閥芯在控制油 K 的作用下被推向右側，壓力油經 B → P 流向液壓閥組供油孔；至此，完成備用泵裝置的切換。

圖2 23Y 型板式液動換向閥Fig.2 23Y type plate hydraulic operated directional valve

雙泵液壓站上使用的板式液動換向閥安裝在閥組油路塊上，通過油路塊上設計的油孔及螺釘安裝孔進行連接。圖2 所示為 23Y 型板式液動換向閥，其安裝面上油口眾多。當然，進口廠家也有板式液動換向閥可供選擇，但是其安裝面上同樣油口眾多。美國PARKER 的 D3DP26D2N 板式液動換向閥[3]如圖3 所示，該換向閥在雙泵液壓站上也有使用。A 口、B 口和 P 口為閥的工作油口，X 口和 Y 口為控制油口。安裝面上油口眾多，這給閥組油路塊的油孔設計增加了難度。此外，板式液動換向閥還存在閥芯容易卡阻、彈簧使用壽命短等問題，這都是制動系統運行中存在的安全隱患。

圖3 PARKER 的板式液動換向閥Fig.3 Plate hydraulic operated directional valve from PARKER

3 新型液動換向閥的設計

為了克服現有技術的不足，基于二通插裝閥，本研究設計提出了一種新型液動換向閥。

3.1 二通插裝閥

二通插裝閥由插裝組件、控制蓋板等組成。插裝組件安裝于油路塊中符合 ISO 7368 的標準安裝孔中，并用控制蓋板封嚴。通過插裝組件，控制蓋板和其他附件的組合可以實現需要的控制功能[4]。二通插裝閥具有流動阻力小、通流能力大、動作速度快、抗污染能力強、工作可靠、結構簡單、易于實現元件和系統的“三化”、簡化系統等優點[5]。

液動換向閥中使用的二通插裝閥如圖4 所示，其主要由插裝組件和控制蓋板組成。二通插裝閥依靠壓力進行工作。通過設計臺階，使二通插裝閥的面積比αA=A1∶A3=1∶2。圖4 中，A 腔中的面積 A1 和A2 以開口方向起作用，面積 A3 和彈簧以閉合方向起作用。開口和閉合方向的力，合成后所產生的有效力的方向決定了二通插裝閥的閥芯位置。當控制油路 X供油壓力最高時，面積 A3 受壓，A 腔和 B 腔的壓力油都不能打開閥芯組件，閥芯組件保持關閉，A 腔和B 腔不相通，實現無泄漏封閉；當控制油路 X 與油箱相通時，閥芯組件可以由 A 腔或 B 腔的壓力油打開，壓力油可以從 A 流向 B 或從 B 流向 A，此時，二通插裝閥就具有二位二通方向控制閥功能。

圖4 二通插裝閥Fig.4 Two-way cartridge valve

3.2 新型液動換向閥的設計

新型液動換向閥[6]是由兩個二通插裝閥組合而成的選擇回路，具備二位三通方向控制閥功能，以實現兩套泵裝置的切換。中信重工 E6118B/E6119B 型液壓站的液壓閥組如圖5 所示。圖5 中，當 P1 處的泵裝置工作時，插裝組件 2.1 打開，插裝組件 2.2 關閉，由 P1 處的泵裝置向 P 口供油，P2 處的泵裝置可以維修或停用待命；反之，當 P2 處的泵裝置工作時，插裝組件 2.2 打開，插裝組件 2.1 關閉，由 P2 處的泵裝置向 P 口供油，P1 處的泵裝置可以維修或停用待命。

圖5 新型液動換向閥Fig.5 New type of hydraulic operated directional valve

在提升機雙泵液壓站中，新型液動換向閥的設計和安裝有以下兩種方式。

(1) 在閥組油路塊中直接設計標準安裝孔，將插裝組件安裝在標準安裝孔中，再用控制蓋板封嚴。圖5 中，兩個插裝組件的位置和方向可根據液壓閥組的具體情況靈活設計，與板式液動換向閥相比，閥組油路塊的油孔設計簡化了很多。

(2) 將兩個插裝閥組合設計成一個獨立的液動換向閥，再安裝到閥組油路塊上。如圖6 所示，獨立的液動換向閥包含一個獨立的閥體 3，兩端分別安裝有一個插裝組件 2 和一個控制蓋板 1；閥體內部設計有油孔，用于連接兩端的插裝閥；閥體外側安裝面上設計有兩個進油孔 P1 和 P2，通過管接頭連接兩個泵裝置；閥體內側安裝面上設計有一個出油孔 P，閥組油路塊上只需要設計一個與出油孔 P 配套的供油孔即可；閥體上設計有螺釘安裝孔，用于將液動換向閥安裝在閥組油路塊上。

圖6 獨立的液動換向閥Fig.6 Independent hydraulic operated directional valve

采用獨立的液動換向閥，使閥組油路塊的油孔設計得到了進一步簡化。中信重工 E6161B/E6160B 型液壓站的液壓閥組的應用如圖7 所示。

圖7 液壓閥組的應用Fig.7 Application of hydraulic valve group

4 結語

與常用板式液動換向閥相比，基于二通插裝閥設計的新型液動換向閥具有安裝方式和安裝位置靈活，閥組油路塊的油孔設計簡單，液動換向閥流動阻力小、通流能力大、動作速度快、抗污染能力強，工作可靠等優點，簡化了設計，保障了雙泵液壓站中兩套泵裝置的可靠切換，提高了制動系統的安全性能，保證了礦井提升系統的安全可靠運行。