孟慶楠

（上海圣克賽斯液壓股份有限公司，上海 201617）

1 概述

推進(jìn)裝置的速度控制液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在鑿巖機(jī)、高空作業(yè)車等工程機(jī)械上，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)裝置的速度實(shí)行控制，此裝置要求壓力高運(yùn)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行平穩(wěn)安全可靠，目前，其液壓控制系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)速度控制不夠穩(wěn)定的情況，為了減輕設(shè)備的重量液壓系統(tǒng)采用集中控制，采用應(yīng)用廣泛的螺紋插裝閥和集成閥塊進(jìn)行控制，閥塊是集成式液壓系統(tǒng)的核心單元，它由內(nèi)部布置有液壓系統(tǒng)孔道的閥塊體和其上安裝的各種液壓元件組合而成；對(duì)于速度控制，采用比例控制閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制消除速度運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定因素。

2 改造前的速度控制液壓系統(tǒng)

推進(jìn)裝置的液壓控制系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的速度進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)裝置的高、低速控制及返回速度控制。推進(jìn)裝置改進(jìn)前的液壓系統(tǒng)，如圖1所示。電機(jī)泵1為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，過濾器2用來過濾液壓回油，調(diào)壓閥3用來控制整個(gè)液壓系統(tǒng)的壓力，通過電磁閥4和電磁閥9配合使用，通過單向閥7和調(diào)速閥8來實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)裝置運(yùn)動(dòng)速度的快速，慢速，通過單向閥6和調(diào)速閥5實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置回程速度的控制。

其工作過程如下：換向閥4左側(cè)得電，電磁閥9得電，壓力油經(jīng)電磁閥進(jìn)入油缸無桿腔，油缸獲得一個(gè)由系統(tǒng)提供流量的控制速度；電磁閥9斷電，壓力油經(jīng)單向閥7、節(jié)流閥8進(jìn)入油缸的無桿腔，油缸獲得一個(gè)由節(jié)流閥控制的速度；換向閥4右側(cè)得電，油缸下行，無桿腔液壓油經(jīng)單向閥6、節(jié)流閥5返回，此時(shí)油缸獲得了一個(gè)由節(jié)流閥5控制的速度。此套控制系統(tǒng)在正常的維護(hù)保養(yǎng)情況下，該速度推進(jìn)控制運(yùn)行能滿足設(shè)備要求，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)快、慢速轉(zhuǎn)換和返回的速度的雙路調(diào)速功能，現(xiàn)有設(shè)備采用板式閥，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在體積大、成本高、拆卸不便的缺陷，同時(shí)，由于電磁鐵換向存在延時(shí)在速度轉(zhuǎn)換時(shí)候裝置運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)有沖擊，不能較好地滿足使用要求。鑒于此，對(duì)此速度控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，著重解決以下幾個(gè)問題：目前，控制閥采用的是板式閥，體積大容易泄露，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間很大，給維修帶來了難度；此套控制系統(tǒng)速度由快速轉(zhuǎn)慢速時(shí)，存在沖擊，節(jié)流閥調(diào)速存在不靈活。

圖1 更改前液壓原理圖

3 改造后的速度控制液壓系統(tǒng)

基于以上兩個(gè)問題，在之前系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理，如圖2所示。

一方面，重新設(shè)計(jì)推進(jìn)裝置的液壓控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的螺紋插裝閥，可以減少板閥帶空間偏大的問題，將速度調(diào)節(jié)的節(jié)流閥和電磁閥改為電比例調(diào)速閥，對(duì)油缸速度能更精確地控制，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；另一方面，采用單向閥橋式連接形式集成到一個(gè)液壓閥組中，而單向閥的成本比較低，結(jié)構(gòu)決定了其抗耐污染能力比滑閥液壓閥要強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的可靠性；螺紋插裝閥體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單可靠，插裝閥集中安裝在一個(gè)集成塊中，螺紋插裝閥安裝在集成塊上的插孔采用成型刀具加工，精度高，減少系統(tǒng)的泄漏，適合批量生產(chǎn)。

圖2 更改后液壓原理圖

其工作工程如下：當(dāng)換向閥4左側(cè)得電，液壓油經(jīng)單向閥5、比例調(diào)速閥9、單向閥8進(jìn)入油缸的無桿腔，此時(shí)，油缸的速度由電比例調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)快速慢速，速度平穩(wěn)，消除了沖擊，當(dāng)換向閥右側(cè)得電，油缸返回?zé)o桿腔油液經(jīng)單向閥6、比例調(diào)速閥9、單向閥7返回，此時(shí)，油缸的速度由電比例調(diào)試閥來實(shí)現(xiàn)控制,這樣速度推進(jìn)由一個(gè)電比例調(diào)速閥、4個(gè)單向閥來實(shí)現(xiàn)。

4 案例

以某礦山鉆機(jī)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用為例，具體說明改進(jìn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，設(shè)備要求速度控制裝置使用壓力21MPa，流量160L/min實(shí)現(xiàn)裝置先快進(jìn)再慢進(jìn)，回程速度可調(diào)，根據(jù)客戶現(xiàn)有設(shè)備整體布局，考慮設(shè)備空布局受限，采用螺釘通孔安裝固定，上面出油管，可調(diào)元件上面安裝，應(yīng)用以上改進(jìn)的速度控制原理，閥件采用插裝閥并整體集成在一個(gè)塊體上，稱為集成控制閥組，集成控制閥組的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，螺紋插裝閥成型刀具加工，加工精度高，泄漏小，適合批量生產(chǎn)，集成控制閥組設(shè)計(jì)成比例調(diào)速閥上面和單向閥對(duì)稱布置的形式。集成閥組材料根據(jù)使用壓力21MPa和材料的物理特性，此次設(shè)計(jì)采用45號(hào)鋼（或者鍛鋼），根據(jù)負(fù)載使用的流量大小160L/min,選擇合適的閥件，匹配相應(yīng)的油口或者根據(jù)客戶的要求確定油口大小，此時(shí)，根據(jù)客戶要求選用G1油口頂面布置，設(shè)計(jì)塊體的孔道時(shí)，為盡量縮短孔道長度，減少拐彎，合理確定孔道的通流截面積，與閥的油口相通的孔道直徑與液壓閥的直徑相同，與管接頭相連接的孔道，其直徑一般應(yīng)按通過的流量和允許流速計(jì)算確定，孔口須按管接頭螺紋小徑鉆孔并攻螺紋。

根據(jù)油道的孔徑計(jì)算公式：

式中，d為油道孔徑，mm；Q為流經(jīng)該油道孔的流量，L/min；ν為油道孔的允許流速，m/s，對(duì)于壓力油孔而言，取ν=3～6m/s(系統(tǒng)壓力高，管路短，油液粘度小取最大值，反之取小值)。

根據(jù)孔道之間壁厚計(jì)算公式：

式中，t為最小壁厚，mm；d為油道孔直徑，mm； Py為油孔最大試驗(yàn)壓力，MPa，取Py=(1.5～1.75)P；P為工作壓力，MPa；[σ]為材料許用應(yīng)力，MPa，[σ]=σp0.2/n,當(dāng)Py≥17.5MPa時(shí)，n取3.5，Py＞17.5MPa時(shí)，n取3，σp0.2為塑性材料的屈服強(qiáng)度；n為安全系數(shù)。

據(jù)此設(shè)計(jì)選型如表1。

表1 閥塊設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算表

遵循上述設(shè)計(jì)原則和計(jì)算的結(jié)果，應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件INVENTOR平臺(tái)設(shè)計(jì)出集成控制閥組，集成塊尺寸為170×110×60（mm），通過設(shè)置圖形的透明度或者用刪除面的辦法可以很方便地校核各孔道的連通關(guān)系，同時(shí)可以通過三維軟件自帶的應(yīng)力分析功能對(duì)設(shè)計(jì)的閥塊進(jìn)行應(yīng)力分析，改進(jìn)的三維模型設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 集成控制閥組

（1）閥塊的加工制造。加工的閥塊材料須保證內(nèi)部組織致密，不得有夾層、沙眼等缺陷，必要時(shí)應(yīng)對(duì)毛坯探傷，鋼材塊在加工前進(jìn)行時(shí)效處理和預(yù)處理，閥塊的表面粗糙度一定要達(dá)到要求，尤其是液壓閥、法蘭、管接頭的安裝面上不得有劃線痕跡和其他缺陷，加工完成后必須倒角、去刺，閥塊中所有的流道，尤其是相慣流道的交叉處必須徹底清除毛刺，閥塊進(jìn)入裝配前必須徹底清洗，應(yīng)用專用設(shè)備，清洗，沖洗時(shí)最好有一定的壓力，所有流道特別是盲孔必須清洗干凈，不留有鐵屑、污垢和雜質(zhì)，在裝配前應(yīng)再次校對(duì)孔道的連通情況是否與原理圖相符，校對(duì)所有待裝的元件及零部件，保證所裝配的元件均為合格品。

（2）樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，按要求加工組裝好液壓集成閥組在超過24小時(shí)后，在調(diào)試前應(yīng)先進(jìn)行10～20min回路沖洗此閥組上的比例閥在沖洗前換上沖洗板就是盲孔堵，將液壓控制閥組在液壓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和功能測試， 檢測集成各液壓閥安裝表面和安裝孔的密封性問題，按要求設(shè)定好各閥的壓力值，整個(gè)液壓閥組在壓力21MPa的情況下，保壓30min測試集成閥組的耐壓及密封情況，多次啟閉驗(yàn)證沖擊能力，閥塊各油口和閥件有沒有泄漏 經(jīng)測試無泄漏，整體測試結(jié)果表明，該集成閥組沒有出現(xiàn)漏油、發(fā)熱現(xiàn)象，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

（3）改進(jìn)后的性能及使用情況。對(duì)改進(jìn)的控制集成閥組進(jìn)行了客戶現(xiàn)場實(shí)際測試，經(jīng)過多次調(diào)試，完全滿足設(shè)備的使用要求，較之前的閥組對(duì)速度的控制更靈活，速度切換沖擊減少，速度運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。

5 結(jié)語

目前，本設(shè)計(jì)的推進(jìn)裝置液壓控制系統(tǒng)已形成批量生產(chǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)和改進(jìn)，此閥組應(yīng)用在礦山設(shè)備、冶金設(shè)備等工程機(jī)械上，拓展了公司在工程機(jī)械中對(duì)速度控制的系統(tǒng)回路，通過使用螺紋插裝閥替代了傳統(tǒng)板式閥的使用，掌握了推進(jìn)裝置的液壓控制系統(tǒng)的制造和研發(fā)技術(shù)，擴(kuò)大了對(duì)油缸速度的控制的使用范圍，創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益。