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【泰科閥門】六聯(lián)電液比例閥的研發(fā)工程

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(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證該閥的實(shí)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(xiàng)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(xiàng)目的順利完成。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

6DBF-10型六聯(lián)電液比例閥主體結(jié)構(gòu)（圖1）

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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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。

電液比例閥液壓原理（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(jì)計(jì)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(jì)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)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(jì)。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(jì)計(jì)算，可得下面計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能測試[4]。

輸出量（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(jì)要求。國外同類產(chǎn)品該項(xiàng)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。

Q-I特性曲線（圖3）

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(shí)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。

噴射機(jī)械手的液壓系統(tǒng)（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(shí)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(yàn)。該車由于采用了六聯(lián)電液比例控制，噴射機(jī)械手實(shí)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(yàn)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(shí)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(jì)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。