李常碧

（廣西美斯達(dá)鑿巖機(jī)械設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530001）

在鑿巖鉆機(jī)的液壓回路中，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)和控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)及推進(jìn)的速度和力，因此節(jié)流接頭和節(jié)流塞或節(jié)流閥等“固定及可調(diào)的節(jié)流孔”在鑿巖機(jī)的液壓系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)流速和壓力的元件得到廣泛的使用，如單向節(jié)流閥、固定的帶節(jié)流孔的接頭、節(jié)流塞、單向調(diào)速閥和負(fù)載敏感系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速等的應(yīng)用。

為了減少溫度變化對(duì)節(jié)流孔控制流速的影響，在實(shí)際使用中的節(jié)流孔都做成薄刃型（l/d臆0.5）。此時(shí)的壓力損失以局部壓力損失為主，因而其控制特性不受溫度變化的影響。根據(jù)實(shí)際流體的伯努利方程式推導(dǎo)出流體流過(guò)閥口（節(jié)流口）的流量公式為[1]。

其中：Q 為流過(guò)節(jié)流孔的流量；Cd為流量系數(shù)；A 為節(jié)流孔截面面積；駐P 為節(jié)流孔前后壓差；籽為液體的密度。

根據(jù)公式（1），在實(shí)際工作的應(yīng)用中有以下3 種調(diào)節(jié)流量的方法：

（1）在節(jié)流孔前后兩端壓差 駐P 固定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流面積A 來(lái)改變流過(guò)節(jié)流閥的流量；

（2）在節(jié)流孔的節(jié)流面積A 固定時(shí)，通過(guò)改變節(jié)流孔前后兩端的壓差駐P 來(lái)改變流過(guò)節(jié)流孔的流量；

（3）通過(guò)改變節(jié)流孔的節(jié)流面積A 和節(jié)流孔前后的壓差駐P 改變流過(guò)節(jié)流孔的流量。

在以上的應(yīng)用中，流量系數(shù)Cd在0.6 ～ 0.8 之間取值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，滑閥式節(jié)流閥的閥口的流量系數(shù)Cd=0.65；錐閥式節(jié)流閥的閥口的流量系數(shù)Cd= 0.77 耀0.80[2]。第（1）種方法比較常用（如調(diào)速閥；負(fù)載敏感系統(tǒng)）。

1 節(jié)流孔在鑿巖鉆機(jī)行走履帶的調(diào)平系統(tǒng)中的應(yīng)用

因鑿巖鉆機(jī)是在表面凹凸不平的礦山上工作，在其施工中，會(huì)碰到剝離礦山表層的施工，此時(shí)鉆機(jī)的施工面為一斜坡面，為了保證其鉆的孔豎直，其機(jī)身要通過(guò)左右兩只調(diào)平油缸調(diào)節(jié)機(jī)身和履帶的角度，為了在調(diào)節(jié)的過(guò)程中動(dòng)作平穩(wěn)避免機(jī)身前后晃動(dòng)造成鉆頭被孔卡住或鉆機(jī)在斜坡上翻車，因此需要流進(jìn)調(diào)平油缸的液壓油的流速穩(wěn)定，在調(diào)平油缸的進(jìn)油口中加裝囟1.5 mm 的薄壁節(jié)流孔，在機(jī)身重量一定（即油缸推力一定）和泵出口壓力不變的情況下（即駐P 也一定），根據(jù)公式（1）得出流經(jīng)油缸的進(jìn)油口的流速一定，從而油缸以穩(wěn)定的速度運(yùn)動(dòng)（在出油口加裝囟1.5 mm 節(jié)流孔起回油背壓的作用，減少油缸的抖動(dòng)），即可達(dá)到鉆機(jī)平穩(wěn)調(diào)平車身的目的，又能節(jié)省成本。如圖1 所示的裝置在美斯達(dá)的一體式鉆機(jī)的調(diào)平油缸中使用。

圖1 履帶調(diào)平

2 節(jié)流孔在捕塵馬達(dá)殼體沖洗中的應(yīng)用

在鑿巖鉆機(jī)的捕塵系統(tǒng)中，捕塵風(fēng)扇的工況是高轉(zhuǎn)速低扭矩，因此捕塵風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)用的是高轉(zhuǎn)速低扭矩A2F16 的柱塞馬達(dá)，該馬達(dá)排量是16 ml/r，馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速是4000 r/min，在實(shí)際工況下，因?yàn)槊芊饧诟邷叵聲?huì)老化和損毀，要求馬達(dá)的殼體溫度不能大于90毅，為了能使馬達(dá)內(nèi)部良好的潤(rùn)滑，液壓馬達(dá)的柱塞缸和柱塞需要浸泡在液壓油里，所以馬達(dá)殼體內(nèi)的液壓油要以一定的流量和油箱的低溫油進(jìn)行交換和補(bǔ)油，以達(dá)到良好的潤(rùn)滑工況和最佳的工作溫度。在實(shí)際工作中控制閥關(guān)閉后，由于慣性的原因，在切斷油源的情況下，馬達(dá)會(huì)被風(fēng)扇的慣性帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)馬達(dá)由做功的馬達(dá)工況轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯敵龅谋霉r，此時(shí)油口A 會(huì)通過(guò)單向閥3 向B 口吸油，由于受B 口和L2口油管長(zhǎng)度的影響流向在A 口的油液不能滿足A 口的需求，馬達(dá)的柱塞通過(guò)配油盤(pán)間隙會(huì)向殼體吸油，此時(shí)L2口會(huì)形成負(fù)壓使柱塞的靴套和配油盤(pán)未浸泡在液壓油中，造成馬達(dá)的柱塞的回程盤(pán)和配油盤(pán)之間潤(rùn)滑油膜破裂或油膜間斷形成，配油盤(pán)和柱塞靴套之間產(chǎn)生干摩擦，使馬達(dá)使用壽命減短或者直接損毀，因此在設(shè)計(jì)風(fēng)扇馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)時(shí)，在柱塞馬達(dá)殼體的兩個(gè)泄漏口的最低處L1處，增加囟1.0 mm 的節(jié)流接頭，將系統(tǒng)低壓油源2 通過(guò)0.1 mm的節(jié)流孔引入泄漏口L1，將泄漏口最高出油口L2直接接回油箱（圖2）。在壓差駐P 和節(jié)流面積A 固定的情況下形成穩(wěn)定的流量對(duì)馬達(dá)殼體進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)油。L1口的恒流油源在馬達(dá)正常工作時(shí)，強(qiáng)制給馬達(dá)殼體引入低溫的油源也起到強(qiáng)制沖洗的作用（如阿特拉斯的D7 的鑿巖鉆機(jī)的集塵系統(tǒng)）。其作用有兩點(diǎn)：（1）通過(guò)用低溫的一定流量的冷卻液壓油強(qiáng)制沖洗殼體來(lái)降低馬達(dá)殼體的液壓油溫度，延長(zhǎng)馬達(dá)密封件的使用壽命；（2）保證殼體中有足夠的液壓油，以滿足馬達(dá)的柱塞、配油盤(pán)等運(yùn)動(dòng)件間的潤(rùn)滑，使馬達(dá)在泵工況時(shí)能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證柱塞馬達(dá)能夠穩(wěn)定高效的工作，延長(zhǎng)馬達(dá)的使用壽命，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

圖2 集塵馬達(dá)原理

3 調(diào)速閥在鑿巖潛孔鉆機(jī)回轉(zhuǎn)頭調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度時(shí)的應(yīng)用

鑿巖潛孔鉆機(jī)在施工中，因?yàn)閹r石的硬度和鉆孔孔徑的大小的不一樣，在鉆機(jī)施工的過(guò)程中根據(jù)潛孔鉆頭的直徑和鉆機(jī)鉆臂向下的推進(jìn)壓力，會(huì)對(duì)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速有一定的要求，根據(jù)實(shí)際工況，在硬度比較高的巖石層要求轉(zhuǎn)速在70 ～ 120 r/min（如石灰?guī)r的開(kāi)采），在硬度比較軟的巖石要求轉(zhuǎn)速在120 ～ 160 r/min（如露天煤礦的開(kāi)采）。當(dāng)前在常用的鑿巖潛孔鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)回路中，為了節(jié)省成本使用液壓系統(tǒng)為定量的齒輪泵和手動(dòng)多路換向閥，回轉(zhuǎn)頭使用定量的擺線馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，會(huì)造成回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)困難。為了解決轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的問(wèn)題，在鉆機(jī)的正向回轉(zhuǎn)的油路中加裝可調(diào)節(jié)的單向調(diào)速閥。此閥是由定差減壓閥和可調(diào)節(jié)的節(jié)流閥串聯(lián)并并聯(lián)一個(gè)反方向單向閥構(gòu)成。液壓油先經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)流閥，然后再通過(guò)定差減壓閥。由于定差減壓閥左右兩腔取了節(jié)流孔前后的壓力并對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行了壓力的補(bǔ)償，使可調(diào)節(jié)流閥前后的壓差駐P 不會(huì)隨著出口負(fù)載的改變而變，因此可以調(diào)節(jié)流閥流過(guò)的流量在可調(diào)節(jié)流閥節(jié)流面積A 不變的情況下保持不變，從而調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)流閥的節(jié)流面積A使其達(dá)到調(diào)節(jié)流經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥的流量，反之,則液壓油從并聯(lián)的反裝單向閥流走，不受可調(diào)節(jié)流閥的控制。其調(diào)速閥的具體原理和數(shù)學(xué)模型如圖3 和公式（2）所示。

帶定差減壓閥補(bǔ)償?shù)膯蜗蚬?jié)流調(diào)速閥的原理如圖3 所示。定差減壓閥2 和可調(diào)節(jié)流閥1 相互串聯(lián)。定差減壓閥閥芯受到右側(cè)的壓力P1在閥芯右側(cè)面積AK上產(chǎn)生的向左的力，左側(cè)的壓力P2在閥芯左側(cè)面積AK上產(chǎn)生的向右的力，還有彈簧3 對(duì)閥芯產(chǎn)生向右的力Ff，忽略液動(dòng)力，減壓閥的閥芯2 處的力平衡方程為[3]：

圖3 單向調(diào)速閥

因此，可調(diào)節(jié)流閥1 兩端的壓差。其計(jì)算式為：駐P=P1-P2=Ff衣AK。因?yàn)榭刂崎y芯的行程s臆1 mm，且彈簧3 較軟，彈簧的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于閥芯2 的行程S，因此彈簧力Ff隨長(zhǎng)度的變化相對(duì)于行程S 來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)[3]，所以認(rèn)為Ff恒定不變，駐P 保持不變，流過(guò)節(jié)流閥1 的流量Q 隨節(jié)流閥1 的節(jié)流面積的大小成正比例變化。

4 節(jié)流孔在鑿巖鉆機(jī)變量泵的液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

在高端高配的液壓鑿巖鉆機(jī)中，液壓泵選用可變量的柱塞液壓泵，比較常見(jiàn)的是負(fù)載敏感柱塞泵配比例多路閥，可以實(shí)現(xiàn)一泵滿足多個(gè)回路的壓力-流量的要求，變量柱塞泵可根據(jù)執(zhí)行元件的工況通過(guò)比例多路閥的反饋油路自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)輸出流量，為工作機(jī)構(gòu)提供所需的流量，當(dāng)液壓系統(tǒng)未工作，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，控制閥必須切斷作動(dòng)油缸（或馬達(dá)）與液壓泵之間的壓力信號(hào)。這樣在系統(tǒng)未工作時(shí)會(huì)使液壓泵自動(dòng)轉(zhuǎn)入低壓待命的狀態(tài)。當(dāng)控制閥工作時(shí)，先從要?jiǎng)幼鞯挠透祝ɑ蝰R達(dá)）處得到壓力需求的信號(hào)，并將壓力信號(hào)傳遞給液壓泵，使泵開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)壓力做出響應(yīng)。系統(tǒng)所需的流量是由多路閥滑閥的開(kāi)度控制。系統(tǒng)的流量需求通過(guò)信號(hào)通道、控制閥反饋給液壓泵。這種負(fù)載感應(yīng)式柱塞泵與負(fù)載敏感控制閥的組合使整個(gè)液壓系統(tǒng)具有根據(jù)負(fù)載的情況提供工作所需要的壓力-流量，此即負(fù)載敏感系統(tǒng)的基本功能[4]。減少了不必要的能量損耗，從而達(dá)到節(jié)能的效果，提高了液壓系統(tǒng)的效率，降低了液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，減小了液壓油箱和散熱器的容量，減輕了鉆機(jī)整車重量。而在普通的定量泵液壓系統(tǒng)中，采用了一個(gè)定排量的齒輪泵，提供恒定的流量，系統(tǒng)壓力是由作用于工作介質(zhì)上的載荷決定的。為限制系統(tǒng)的最高工作壓力，必須設(shè)置一個(gè)高壓溢流閥。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力達(dá)到設(shè)定值，液壓泵近乎全部流量將通過(guò)溢流閥流回油箱，因而導(dǎo)致極高的功率損失，并在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的熱損耗致使系統(tǒng)效率極低，散熱器和油箱容量相應(yīng)加大，使整車重量增大。

在市場(chǎng)中比較常見(jiàn)的有力士樂(lè)的閥后補(bǔ)償?shù)腖UDV 的控制系統(tǒng)（即負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)）和閥前補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感系統(tǒng)，如丹弗斯PVG32 閥和開(kāi)式柱塞變量泵組成的系統(tǒng)，閥前補(bǔ)償?shù)囊簤合到y(tǒng)在單獨(dú)動(dòng)作時(shí)泵的流量滿足動(dòng)作機(jī)構(gòu)所需的流量，動(dòng)作會(huì)受相應(yīng)的多路閥控制，但是在機(jī)器需要多個(gè)動(dòng)作同時(shí)動(dòng)作時(shí)，當(dāng)柱塞泵的輸出流量不滿足動(dòng)作機(jī)構(gòu)所需要的總流量，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)載高的執(zhí)行器的動(dòng)作速度降低甚至停止的現(xiàn)象，因此鑿巖鉆機(jī)中比較常用負(fù)載獨(dú)立流量分配的LUDV 系統(tǒng)，LUDV 系統(tǒng)是力士樂(lè)等公司在改進(jìn)負(fù)載傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最高負(fù)載壓力控制泵的流量和壓力補(bǔ)償閥的補(bǔ)償壓力，它不受其他負(fù)載大小影響的流量分配系統(tǒng)，即使泵的流量小于系統(tǒng)做復(fù)合動(dòng)作所需的流量，流向各動(dòng)作的流量也是按照操作閥閥口開(kāi)度的大小來(lái)比例的分配，而不是流向負(fù)載較小的一側(cè)，因此各個(gè)負(fù)載機(jī)構(gòu)的動(dòng)作相對(duì)速度不會(huì)發(fā)生變化，從而保證動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。其原理如下：

LUDV 每個(gè)閥塊主要由操作閥和壓力補(bǔ)償閥組成，其原理符號(hào)如圖4 所示。為了便于理解閥的原理，把操作閥的換向部分未畫(huà)出來(lái)，圖4 只畫(huà)出了操作閥的節(jié)流部分，壓力油進(jìn)入操作閥時(shí)，先通過(guò)操作閥的節(jié)流部分，后經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償閥，最后通過(guò)閥換向部分去液壓動(dòng)作的元件。在通過(guò)梭閥選擇出動(dòng)作元件的最高壓力P1= PLmax（設(shè)PL1> PL2）的信號(hào)傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥和液壓泵，由壓力補(bǔ)償器Pm1，Pm2給定的壓差作用在相應(yīng)節(jié)流閥前后兩端，因此加在可變節(jié)流閥A1和A2上的壓差 駐P1和 駐P2相等也等于 駐P（即駐P1= PLmax- P；駐P2= PLmax- P），所以流過(guò)節(jié)流孔A1和A2上的流量按照節(jié)流孔A1和A2的面積大小成正比分配供油，泵的流量根據(jù)PLmax的反饋來(lái)調(diào)節(jié)。此時(shí)分兩種情況：（1）泵的流量能夠滿足動(dòng)作機(jī)構(gòu)需要的流量；（2）泵的流量不能滿足動(dòng)作機(jī)構(gòu)所需的流量。

圖4 LUDV 系統(tǒng)原理

通過(guò)上述在LUDV 的系統(tǒng)中因?yàn)榉答伒膲毫κ峭ㄟ^(guò)梭閥選擇出動(dòng)作元件的最高壓力PLmax，并加在全部的壓力補(bǔ)償閥上，因此，加在節(jié)流孔上的所有的壓差駐P 相等，在出現(xiàn)上面所述的兩種情況時(shí)，系統(tǒng)都能根據(jù)節(jié)流閥的開(kāi)口面積來(lái)正比例分流。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)節(jié)流孔的流量公式的分析，結(jié)合鑿巖鉆機(jī)的實(shí)際使用工況，介紹了固定節(jié)流孔（即在調(diào)平油缸進(jìn)油口加裝節(jié)流接頭的調(diào)平油路和風(fēng)扇馬達(dá)的沖洗補(bǔ)油回路）和可變節(jié)流孔（即在回轉(zhuǎn)頭的液壓回路中的調(diào)速閥和高配的鑿巖鉆機(jī)中的負(fù)載敏感系統(tǒng)）在鑿巖鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中使用的情況。調(diào)平油缸在未改前，油缸抖動(dòng)、車身點(diǎn)頭，改變后油缸運(yùn)行勻速、車身平穩(wěn)、集塵；馬達(dá)未改前的溫度90益，使用壽命0.5年或2000 小時(shí)，改變后溫度60益，使用壽命1年或5000 小時(shí)；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)未改前回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化，改變后回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)定后不變；液壓系統(tǒng)未改前定量泵系統(tǒng)一直最大流量工作，系統(tǒng)壓力溢流閥設(shè)定后就不能改變，改變后負(fù)載敏感系統(tǒng)流量隨工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作變化，壓力隨負(fù)載大小變化。

其原理是利用流量公式，通過(guò)改變節(jié)流孔前后的壓差駐P 和節(jié)流孔的節(jié)流面積A 或其中的一項(xiàng)，使流入鉆機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓油的流量可以控制，達(dá)到可以調(diào)節(jié)鑿巖鉆機(jī)的動(dòng)作速度使鉆機(jī)能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的工況，使鉆機(jī)能夠在不同硬度的巖層上施工，避免了不同硬度的巖層使用不同型號(hào)的鉆機(jī)，為工地節(jié)約了施工的成本，并為節(jié)流孔在其他工程機(jī)械的液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考。