黃帥

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新科技不斷和傳統(tǒng)行業(yè)相加，我國(guó)煤炭工業(yè)也在不斷發(fā)展，綜采工作面供液系統(tǒng)完成了由機(jī)械化到自動(dòng)化的技術(shù)革新，正在逐步向無人化、數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)綜采工作面供液系統(tǒng)主要采用高水基乳化液作為傳動(dòng)介質(zhì)，供液電控系統(tǒng)多為本質(zhì)安全型，其中使用的電磁補(bǔ)水閥多為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)同類型電磁補(bǔ)水閥防爆等級(jí)為Ⅱ類，額定電壓高，且額定工作壓力低，不能滿足使用要求。為使智能工作面供液系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，該系統(tǒng)中電磁補(bǔ)水閥的性能尤為關(guān)鍵。

1 綜采集成供液系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

綜采工作面集成供液系統(tǒng)需監(jiān)控系統(tǒng)流量、壓力等供液參數(shù)，采用傳感器、電磁卸荷閥、電磁補(bǔ)水閥等元器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠在自動(dòng)化開采條件下及時(shí)為綜采工作面提供所需要的供液流量和壓力。綜采集成供液系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在管路供液、乳化液配比子系統(tǒng)中需進(jìn)行水質(zhì)、流量、液箱液位高度等方面的監(jiān)測(cè)，以穩(wěn)定供液系統(tǒng)的運(yùn)行。其中，作為綜采集成供液系統(tǒng)重要的補(bǔ)水控制元件——電磁補(bǔ)水閥，是集成供液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的基礎(chǔ)，該元件的隔爆性能及可靠性對(duì)于綜采集成供液系統(tǒng)具有重要意義。

圖1 綜采集成供液系統(tǒng)架構(gòu)

2 補(bǔ)水閥的工作原理

設(shè)計(jì)的補(bǔ)水閥為大流量先導(dǎo)式本安電磁補(bǔ)水閥，主要由主閥、二位二通先導(dǎo)球閥、本安電磁鐵和控制推桿組件組成，其液壓工作原理如圖2所示。在綜采智能集成供液系統(tǒng)中，電磁補(bǔ)水閥的進(jìn)口P與出口T分別與集成供液系統(tǒng)的進(jìn)水管、出水管相連。當(dāng)系統(tǒng)需要供液時(shí)，本安電磁鐵通電，二位二通先導(dǎo)球閥處于右位，主閥彈簧腔內(nèi)液體通過節(jié)流孔進(jìn)入出口T，使主閥閥芯兩端產(chǎn)生壓力差，克服彈簧力使電磁補(bǔ)水閥閥芯打開，主閥進(jìn)口P與出口T相通，系統(tǒng)開始供液；當(dāng)系統(tǒng)無需供液時(shí)，本安電磁鐵斷電，二位二通先導(dǎo)球閥處于左位，主閥彈簧腔內(nèi)液體無法流出，主閥閥芯兩端壓力相等，彈簧力使主閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)停止供液。

圖2 液壓原理

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到目前二位二通電磁補(bǔ)水閥存在的一些缺點(diǎn)，文中所述的電磁補(bǔ)水閥選用的電磁鐵防爆型式為本質(zhì)安全型，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可與本安控制系統(tǒng)直接配套；控制推桿組件采用杠桿原理放大電磁鐵推力，可有效解決本安型電磁鐵推力小的問題；先導(dǎo)部分為二位二通球閥，采用先導(dǎo)液控原理，使此補(bǔ)水閥具有大流量、高可靠的性能。電磁補(bǔ)水閥整體采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要，改變主閥的壓力和流量等級(jí)，以滿足不同工況的需求，具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用性，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電磁補(bǔ)水閥結(jié)構(gòu)圖

3.1 主閥

對(duì)于主閥部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，主閥閥體為長(zhǎng)方體閥塊，主閥閥體左側(cè)面為主閥閥芯安裝孔，右側(cè)面為進(jìn)液P口，下側(cè)面為出液T口。主閥閥體內(nèi)部安裝彈簧Ⅰ、主閥閥芯及主閥閥座，密封圈及導(dǎo)向環(huán)安裝在主閥閥芯上，主要起密封和導(dǎo)向作用，主閥閥芯中間設(shè)有彈簧腔，彈簧Ⅰ安裝在彈簧腔內(nèi)，壓蓋壓縮彈簧Ⅰ通過螺栓固定在主閥閥體左端；主閥閥芯右端安裝阻尼螺釘，阻尼螺釘中間設(shè)有阻尼孔，用于增大電磁閥P口與彈簧腔之間的壓差，當(dāng)主閥閥芯錐面與主閥閥座重合時(shí)，電磁補(bǔ)水閥P口和T口處于斷開狀態(tài)，當(dāng)主閥閥芯錐面與主閥閥座分開時(shí)，電磁補(bǔ)水閥P口和T口處于相通狀態(tài)。主閥閥體上側(cè)面為二位二通先導(dǎo)閥安裝面，并設(shè)有P1口和T1口，P1口直接與主閥彈簧腔相通，T1口通過工藝孔1、工藝孔2與T口相通。

圖4 主閥結(jié)構(gòu)

3.2 二位二通先導(dǎo)球閥

二位二通先導(dǎo)球閥其結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括先導(dǎo)閥閥體、閥芯套、陶瓷球閥芯Ⅰ、導(dǎo)向座、閥桿、先導(dǎo)閥閥座、陶瓷球閥芯Ⅱ、彈簧座、彈簧Ⅱ、彈簧套和密封組件。先導(dǎo)閥閥體為凸型，閥芯套通過螺紋連接安裝在先導(dǎo)閥閥體內(nèi)，閥芯套上設(shè)置有內(nèi)孔，內(nèi)孔由右向左依次安裝陶瓷球閥芯Ⅰ、導(dǎo)向座、先導(dǎo)閥閥座以及彈簧套；裝有密封圈的彈簧套通過螺紋連接安裝在閥芯套內(nèi)孔最外端，彈簧Ⅱ安裝在彈簧套內(nèi)，彈簧座壓縮彈簧Ⅱ安裝在閥芯套內(nèi)孔內(nèi)部；陶瓷球閥芯Ⅱ安放在彈簧座左側(cè)端凹槽內(nèi)，并與先導(dǎo)閥閥座緊密密封，陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)與彈簧套之間形成密封的彈簧套內(nèi)腔；陶瓷球閥芯Ⅰ安放在閥芯套內(nèi)孔的最內(nèi)側(cè)，陶瓷球閥芯Ⅰ與陶瓷球閥芯Ⅱ之間設(shè)置閥桿，閥桿大小徑兩端裝有密封圈，與導(dǎo)向套之間形成密封的導(dǎo)向套內(nèi)腔；閥芯套外圈設(shè)有多處密封槽，密封組件安裝在閥芯套外圈密封槽內(nèi)，與閥芯套安裝孔內(nèi)徑形成多處密封環(huán)。并且二位二通先導(dǎo)閥閥體下側(cè)面為安裝面，設(shè)置有P2口和T2口與主閥上側(cè)面P1口和T1口相通。

圖5 二位二通先導(dǎo)球閥

3.3 控制桿件

控制桿組件結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括控制桿座、轉(zhuǎn)向定位銷、控制桿、調(diào)節(jié)螺釘、防松螺母、螺堵Ⅰ、螺堵Ⅱ；控制桿通過轉(zhuǎn)向定位銷安裝在控制桿座內(nèi)，控制桿上安裝有調(diào)節(jié)螺釘，可以上下調(diào)節(jié)螺釘預(yù)緊高度，防松螺母安裝在調(diào)節(jié)螺釘上，用于固定調(diào)節(jié)螺釘預(yù)緊高度，控制桿可帶動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘圍繞轉(zhuǎn)向定位銷在固定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

圖6 控制推桿組件

控制推桿組件結(jié)構(gòu)采用杠桿原理如圖7所示，由力矩平衡可得：

圖7 杠桿原理示意

×=×

(1)

式中：為電磁鐵的推力；為調(diào)節(jié)螺栓壓力；為動(dòng)力臂(電磁鐵推桿到轉(zhuǎn)向定位銷的距離)；為阻力臂(轉(zhuǎn)向定位銷到調(diào)節(jié)螺栓的距離)。

由公式(1)可知：當(dāng)>>時(shí)，為省力杠桿，以此來彌補(bǔ)本安電磁鐵額定電壓低、推力小的缺點(diǎn)。

當(dāng)本安電磁鐵通電工作時(shí)，本安電磁鐵產(chǎn)生推力帶動(dòng)控制桿圍繞轉(zhuǎn)向定位銷逆時(shí)針向上運(yùn)動(dòng)，通過杠桿原理，調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生向下壓力，并克服二位二通先導(dǎo)球閥中彈簧Ⅱ的壓縮力，壓迫陶瓷球閥芯Ⅰ、閥桿、陶瓷球閥芯Ⅱ一起向下運(yùn)動(dòng)，陶瓷球閥芯Ⅱ與先導(dǎo)閥閥座接觸分離，液體從二位二通先導(dǎo)閥P1口進(jìn)入，通過工藝孔3、4、5分別進(jìn)入陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔及左端導(dǎo)向套內(nèi)腔，陶瓷球閥芯Ⅱ左右兩端壓力平衡，液體從陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔進(jìn)入先導(dǎo)閥閥座內(nèi)腔，二位二通先導(dǎo)球閥P1口與T1口相通，二位二通先導(dǎo)閥處于打開狀態(tài)。

當(dāng)本安電磁鐵斷電時(shí)，控制桿推力=0，即=0，彈簧Ⅱ提供壓縮力，使陶瓷球閥芯Ⅱ與先導(dǎo)閥閥座處于密封狀態(tài)，液體無法從陶瓷球閥芯Ⅱ右側(cè)彈簧套內(nèi)腔進(jìn)入先導(dǎo)閥閥座內(nèi)腔，二位二通先導(dǎo)閥P1口與T1口斷開，二位二通先導(dǎo)球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)節(jié)流孔流量壓力公式(2)，代入預(yù)定的額定流量、開啟壓力，可以得出通流面積，以此來計(jì)算得出接口孔徑。

(2)

式中：為額定流量；為流量系數(shù)；為通流面積；為液體密度；Δ為閥開口兩端壓差。

選擇與系統(tǒng)相匹配的接口尺寸，可以得出如表1所示的參數(shù)。

表1 主要參數(shù)

5 結(jié)語

此先導(dǎo)式本安補(bǔ)水閥采用電磁鐵為本質(zhì)安全型，電磁鐵體積小、質(zhì)量輕、功耗低、安裝維護(hù)方便，可與本安控制系統(tǒng)直接配套。經(jīng)過小批量試制之后，實(shí)物如圖8所示。在液壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了型式實(shí)驗(yàn)，并在神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦進(jìn)行了煤礦井下工業(yè)實(shí)驗(yàn)，可以完全滿足功能要求，對(duì)綜采高壓大流量智能集成供液系統(tǒng)的智能化的實(shí)現(xiàn)有重要意義。

圖8 本安電磁補(bǔ)水閥實(shí)物