孫　哲，彭秀英，羅艷蕾，潘　克

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州貴陽550025)

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二通插裝閥應(yīng)用于混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能

孫哲1，彭秀英1，羅艷蕾1，潘克2

(1.貴州大學(xué)機械工程學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴州貴陽550025)

摘要：針對混凝土泵液壓系統(tǒng)的高壓大流量特點，在分析系統(tǒng)主要能耗形式和二通插裝閥工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合二通插裝閥結(jié)構(gòu)簡單、標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度高、通油能力大、液阻小、密封性能好等特點，提出一種基于二通插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能方法。

關(guān)鍵詞:混凝土泵液壓系統(tǒng)大流量二通插裝閥

0引言

混凝土泵是一種混凝土輸送裝備，它利用壓力將混凝土沿管道連續(xù)輸送，并進行澆灌。被廣泛用于水利、隧道、橋梁、高樓等高層建筑和大型土木工程的混凝土輸送工作。它對保證工程質(zhì)量、提高施工速度、增加施工安全等起著十分重要的作用。

近年來，隨著國內(nèi)各種基礎(chǔ)建設(shè)的施工規(guī)模和范圍不斷擴大,使得建筑機械以及相關(guān)混凝土輸送機械得到了飛速發(fā)展。由于對工程進度的要求越來越高,使得泵送壓力更高,輸送量更大,再加上市場變化快,因此對混凝土泵的性能要求也越來越高。目前液壓傳動已在混凝土泵液壓系統(tǒng)中廣泛使用。液壓系統(tǒng)主要分為三個子系統(tǒng)：泵送主系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、攪拌清洗系統(tǒng)。在傳統(tǒng)混凝土泵的液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的回路復(fù)雜，而且在高壓大流量時工作的功率損失大，發(fā)熱嚴(yán)重，因此大大影響了系統(tǒng)的工作效率。在未來混凝土泵的發(fā)展主要方向是：提高主機性能和作業(yè)效率，降低使用成本，提高舒適性以及適應(yīng)法規(guī)要求[1]。

本文針對高壓大流量混凝土泵功率損失大的問題，進行液壓系統(tǒng)功率損失分析，采用二通插裝閥取代傳統(tǒng)液壓控制閥，實現(xiàn)混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能。

1混凝土泵液壓系統(tǒng)能量損失分析

液壓傳動系統(tǒng)能量損失主要包括以下幾個方面：1)液壓控制元件的能量損失；2)液體在管中流動時因摩擦而產(chǎn)生的沿程損失；3)液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等處的局部損失。而在液壓系統(tǒng)中，能量損失主要是因節(jié)流孔和閥對液流起節(jié)流和控制作用時產(chǎn)生的，即液壓控制元件的能量損失。液體在流經(jīng)閥口時，因其方向和流速的變化會攪拌而形成氣穴、漩渦或使邊界層剝離，液體質(zhì)點相互撞擊而產(chǎn)生能量損失。

若要降低液壓系統(tǒng)的能量損耗，最有效的解決措施是將液壓系統(tǒng)高度集成，如將換向閥、高低壓轉(zhuǎn)換閥改為額定流量足夠大、壓力損失小的二通插裝閥結(jié)構(gòu)；適當(dāng)增大通道內(nèi)徑以減小油流速度等。

2基于二通插裝閥的節(jié)能方法

插裝閥是一種二位二通的開關(guān)閥，在高壓、大流量的液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。插裝閥的基本結(jié)構(gòu)是由控制蓋板、插裝件、閥塊和先導(dǎo)控制閥組成。

2.1插裝件的節(jié)能

插裝件由閥套、閥芯(通常為錐閥芯)、彈簧和密封件組成。搭配不同功能的控制蓋板，即可實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力、流量和方向的控制。插裝件的主要功能是在油壓和調(diào)控零件作用力的作用下,通過閥芯和閥套之間相對移動，改變閥口的通流截面的節(jié)流特性從而實現(xiàn)對主油路油流的控制。在此我們以用于方向控制的錐閥插裝件舉例對比說明普通滑閥時的幾點優(yōu)點。

第一，過流量大。傳統(tǒng)的混凝土泵車液壓系統(tǒng)常采用各類普通滑閥作為減壓閥、換向閥等，而二通插裝閥由于其本身結(jié)構(gòu)特點的不同，與一般液壓閥相比，尤其是在高壓大流量的情況下，具有通流能力更大的特點。一般標(biāo)準(zhǔn)滑閥的最大通徑為80 mm，最佳的額定流量為1 250 L/min，對比表1，我們查出對于同樣通徑的錐閥插裝閥，在壓力損失與滑閥相同情況下，流量可通過2 000 L/min～4 000 L/min，大大提高了混凝土泵的工作效率。

表1

公稱通徑與流量范圍

第二，閥芯更易操作。在高壓大流量系統(tǒng)應(yīng)用中，普通滑閥機構(gòu)在液流流經(jīng)閥芯部分時受到的穩(wěn)態(tài)液動力和液壓卡緊力對閥的使用性能有很大影響。而二通插裝閥在設(shè)計中采用了錐閥閥芯，有效的規(guī)避了液壓卡緊現(xiàn)象，便于操作，優(yōu)勢更加突出。

第三，局部壓力損失減小。液體在流動中，由于流經(jīng)彎頭、突擴管、突縮管、閥口等處時，將產(chǎn)生流動阻力。為克服流動阻力所損失的能量有公式如下：

(1)

式中：Δpj為局部壓力損失，ρ—液體密度，ξ—局部壓力損失系數(shù)，v—流體過流斷面上平均流速。

關(guān)于閥類的局部壓力損失系數(shù)選取參考可參見表2。

表2

主要液壓閥局部壓力損失系數(shù)

由公式可以看出，液體的局部壓力損失與局部壓力損失系數(shù)、流體速度成正比關(guān)系。因此，若想降低局部壓力損失，應(yīng)盡量減小局部壓力損失系數(shù)。以面積比為1∶1.5的閥芯帶密封圈的插裝件為例，其閥口應(yīng)參考角閥的局部壓力損失系數(shù)，與同類的方向控制閥相比，即局部壓力損失大大減小，由此可知，使用插裝件可大幅減小局部壓力損失系數(shù)。

在應(yīng)用插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)中，二通插裝閥因其具有過流面積大的特點，又根據(jù)流量公式：

Q=AV

(2)

式中：A為過流截面面積，V為液體流速。可知在流量一定的情況下，過流面積的增大可使油液的流動速度降低，從而減小油液之間的內(nèi)摩擦力，方可減小壓力損失。

2.2先導(dǎo)控制元件的節(jié)能

先導(dǎo)控制閥安裝在控制蓋板或控制閥塊上，是一種可直接控制閥芯的獨立結(jié)構(gòu)。利用二通插裝閥控制大流量通流，通常采用小流量小通徑的電磁先導(dǎo)閥與錐閥插裝組合的方法，常用規(guī)格多為φ6和φ10通徑規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)電磁換向閥及以其為基礎(chǔ)的疊加閥等，開啟先導(dǎo)閥的流量通常1 L/min～3 L/min，所需的輸入信號小，其電磁鐵通常采用濕式結(jié)構(gòu)。濕式電磁鐵的推桿與閥芯連成一體，減小了閥芯運動時的摩擦阻力，提高了效率和可靠性，并且濕式電磁鐵具有噪音小、使用壽命長、散熱快、可靠性好效率高等優(yōu)點。

小流量小通徑電磁先導(dǎo)閥的動作控制消耗功率小，發(fā)熱量少，系統(tǒng)效率高，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效。小流量小通徑電磁先導(dǎo)閥控制大流量的錐閥動作實現(xiàn)大流量通流。開啟電磁先導(dǎo)閥所需流量小，閥芯動作靈敏，絕大部分油液都流經(jīng)二通插裝閥，即滿足了液壓系統(tǒng)對傳輸大流量能力的要求，進而可滿足混凝土泵日漸發(fā)展的對高壓大流量的需求，并且具有壓力損失小，沖擊小，密封性良好的優(yōu)點[4]。

2.3二通插裝閥在混凝土泵液壓系統(tǒng)中的實例分析

當(dāng)我們采用普通控制閥來代替二通插裝閥控制大流量通流時，為滿足大流量的流通要求，應(yīng)采用大通徑的控制閥，而大通徑的控制閥體積大，動作時消耗功率大，接頭配件多，密封效果差，泄漏量大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低，同時需要的控制閥的數(shù)量多，因此能耗大。

圖1中是混凝土泵車主液壓系統(tǒng)原理圖(部分系統(tǒng)原理圖)，對某一型號混凝土泵車主液壓系統(tǒng)采用全部二通插裝閥等效控制，要求起到不同液壓閥的作用。該液壓系統(tǒng)主要由恒功率變量泵、插裝式三位四通換向閥、插裝式電磁溢流閥、高低壓切換二通插裝閥、二通插裝減壓閥、梭閥、壓力繼電器、壓力表、蓄能器等組成。

圖1　基于二通插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)主要原理圖

如圖1，原動機啟動后，在泵送時電磁體DT1得電，插裝式溢流閥L1壓力設(shè)定為31 MPa，油液同時經(jīng)插裝式減壓閥L2向蓄能器充液，L2的調(diào)定系統(tǒng)的壓力為19 MPa，因此控制油路的最高壓力不超過19 MPa，蓄能器壓力達到設(shè)定壓力時，壓力繼電器YD2將向PLC發(fā)出信號，此時DT3得電，控制油經(jīng)梭閥流向插裝式三位四通換向閥左位，二位四通換向閥左位控制L3、L4關(guān)閉，L5、L6打開，油液經(jīng)L5流向L14、L15。先導(dǎo)二位四通閥處右位，L15關(guān)閉，油液經(jīng)L14流入主缸1有桿腔，主缸1縮回。主缸1無桿腔經(jīng)L11向主缸2有桿腔注油，主缸2有桿腔經(jīng)L13和L6流入油箱，主缸2伸出，帶動混凝土缸3縮回吸入混凝土。同時，由于混凝土缸3有桿腔壓力增大，控制油經(jīng)有桿腔流向液控先導(dǎo)二位四通換向閥，使閥處右位(此時二位四通電磁換向閥先進行DT2得電換向操作)，從而控制L3、L4打開，L5、L6關(guān)閉。主缸伸出到位時，發(fā)出電信號控制DT2得電，DT5得電。三位四通換向閥處左位，控制二通插裝閥L7、L8打開，油液經(jīng)L18流向L8進入混凝土缸4無桿腔，使缸4伸出，缸3縮回，當(dāng)主缸行程到位時，發(fā)出電信號控制DT6得電，從而控制二通插裝閥L9、L10通斷，交替推動混凝土缸動作。

與傳統(tǒng)回路相比，使用二通插裝閥的等效回路有以下優(yōu)點，首先，后者擴大了先導(dǎo)控制閥的作用, 并且必要的元件與連接管路大大減少，減小了油液流經(jīng)閥口時的沖擊次數(shù)與摩擦?xí)r的能量損失，從而可達到節(jié)能的效果。其次,二通插裝閥先導(dǎo)控制閥富于變化和靈活組合,是整個控制中最敏感和可變的部分。在許多場合下二通插裝閥控制回路的變換,經(jīng)常表現(xiàn)為只變化其電磁先導(dǎo)閥，但卻影響著整個控制回路的特性。

3結(jié)束語

本文通過分析混凝土泵液壓系統(tǒng)的主要特點與存在的問題，指出系統(tǒng)耗能的途徑，提出基于使用二通插裝閥降低能耗的控制策略。對二通插裝閥控制回路在高壓大流量的混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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The application of two-way cartridge valve in hydraulic system of concrete pumps for energy saving

SUN Zhe, PENG Xiuying, LUO Yanlei, PAN Ke

Abstract:Considering the high-pressure and large-flow working conditions of the hydraulic system of concrete pumps, we analyzed the main energy consumption form of the system and the working principle of the two-way cartridge valve. Based on the simple structure, high levels of standardization and generalization, great oil flow capacity, little liquid resistance, and good seal performance of the two-way cartridge valve, we put forward an energy saving strategy for the hydraulic system of concrete pumps.

Keywords:concrete pump; hydraulic system; large flow; two-way cartridge valve

收稿日期：2015-09-24

作者簡介：孫哲，女，漢族，碩士研究生，研究方向為電液系統(tǒng)與控制。

中圖分類號：TH137.52

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0041-04