煤礦用液壓支架換向閥技術現狀

曹江鵬　徐莉萍　丁偉　楊靈敏

摘要：隨著液壓支架重載化、快速化，高效化、高端化的快速發展，對液壓支架換向閥提出了更高的要求。主流的液壓支架換向閥主要采用復合式閥芯結構、接觸式密封，根據功能需求多片組合成換向閥組使用。換向閥存在泄漏、抗污染能力差、可維護性差等問題。計算機仿真技術已經廣泛應用于換向閥的結構設計，動態特性仿真已發展成為必然。

關鍵詞：液壓支架；換向閥；采煤設備

中圖分類號：TD40 ？ 文獻標識碼：A？？文章編號：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

近年來，中國煤礦綜采設備市場有一定的下滑趨勢，但煤炭行業的主體地位仍將長期存在。隨著我國煤炭行業的深入發展，綜采設備機械化程度仍舊在快速地發展。推陳出新已成為必然。隨著高產量、高效能的需求和安全意識的增強，全面提升我國煤炭開采技術水平，發展煤炭安全生產技術，提高煤礦抗災能力，實現煤炭生產與生態環境的和諧發展已迫在眉睫。針對煤礦綜采技術的發展趨勢，作為采煤機械化不可或缺的關鍵支護設備，液壓支架必然向高工作阻力、大采高、高性能、高可靠性以及高壽命的高端支架方向發展。

一、換向閥在液壓支架中的作用

液壓支架是通過液壓泵站提供的高水基乳化液經過管路、液壓控制元件和執行元件來實現能量的傳遞和轉換，從而達到頂板支撐、升架、降架、移架和推移工作面采運設備的目的。液壓支架作為綜采工作面的主要配套設備，占到綜采設備總資金的70%以上。從作用上看，液壓支架直接決定著綜采工作面能否實現安全高效生產。首先它必須適應工作面煤層頂板、底板條件，為工作人員提供安全的作業空間，其次為采運設備提供有效的動力源，它決定著生產的正常推進速度。隨著近年來充填液壓支架的發展，立柱缸徑不斷增大，支架高度和寬度不斷增加，工作阻力越來越大。目前，立柱缸徑可達600mm，工作阻力可達18800kN，支護高度可達到8m。對移架速度，工作穩定性，可靠性以及壽命，可維護性等方面都提出了更高的要求。換向閥是液壓支架三大主要控制元件之一，也是液壓支架中所需數量最多的閥類元件。根據功能需求，成組使用。換向閥組主要用于改變工作介質的流動方向，從而控制液壓執行元件的動作，在液壓支架上主要用于立柱、千斤頂油缸上下腔進回液換向，即控制液壓缸活塞桿的伸出、縮回或停止，實現升架、降架、移架、保壓等功能。

二、換向閥的技術現狀

隨著液壓支架性能要求的不斷提升，換向閥需要具備操作力矩小，操縱方便，動作準確可靠，操作時不會產生誤動作，密封穩定可靠，無漏損或漏液損傷小等特點。換向閥的這些性能直接決定著各執行機構立柱、千斤頂的穩定性和可靠性，同時，也間接決定著煤礦的生產效率。

2.1換向閥結構

換向閥的工作原理是將高壓液體通過操縱手柄把液體送到設計所需的各個執行元件（如立柱、千斤等）。它有高壓口和回液口，當操縱手柄時高壓口的壓力液體就向所操縱的一側出口供液使之作用于立柱下腔而上腔的液體則通過回液口及回液管回到油箱。

目前，液壓支架換向閥的結構實際上為采用Y型中位機能的三位四通閥。由一個操縱機構同時控制兩個的二位三通閥。每一個三位四通閥控制一個或多個執行元件。根據液壓系統功能需要，可將一片尾片閥與數片中片閥通過雙頭螺柱固定在配液板上組成換向閥組，從而分別控制多個執行元件。換向閥的公稱流量主要有125L，200L，400L，500L等， 公稱壓力為31.5MPa；操縱機構的操縱力通常為10N-15N；進回液密封副通常采用金屬對優質工程材料的平面或錐面密封替代煤研3號等普通密封材料，抗污染能力提高，使用壽命增長。內部結構采用零件與組件相結合的方式，即閥芯組件與閥桿組件單獨裝配后形成組件，其余零件單獨裝配。在裝配，維護時有一定的弊端，彈簧通常采用普通的鍍鋅彈簧。

2.2換向閥的密封方式

由于液壓支架的液壓系統使用的介質是高水基乳化液（5%乳化油和95%中性水），該介質黏度幾乎接近于水，所以液壓支架換向閥無法做成像油介質所用的間隙密封方式，通常采用接觸式密封方式。常用的有硬對硬（鋼對鋼）、鋼對工程塑料、鋼對橡膠等結構。煤礦條件惡劣，難免有小比率的閥滲漏竄液，則整個工作面的滲漏竄液總量就相當嚴重。因此對高壓二位三通閥的密封性、可靠性、壽命及易于更換維護等性能要求特別高。同時，煤礦開采要達到高產高效，要求支架完成降、移、升循環的時間控制在8～12s，對換向閥提出了高壓大流量及頻繁換向時達到較高可靠性和壽命的設計要求。目前國內支架換向閥最大流量已達到500L/min。國外生產的液壓支架一般用的是電液控制閥，自動化程度高。

常見的換向閥閥芯密封副大致可分為兩種：一種硬密封，一種軟密封。軟密封錐形密封根據其結構簡單、便于制造，密封性能好等優點已得到廣泛應用。密封結構通常采用不銹鋼錐形密封閥芯，而密封座則用PEEK高溫聚合塑料制造。盡管鋼材或銅合金的機械性能如強度、表面硬度，遠比PEEK高，制作成閥座也不難，但對其與閥芯相接觸（構成密封）的表面要求很高，而且安裝要求如同軸度等，對介質的要求都較嚴格，極易造成密封失效，甚至無法修復的硬傷。而采用PEEK只要合理利用其特性又能限制其在壓力狀態下的變形，就可以實現可靠密封。在閥芯閥口與閥座間的接觸密封時，盡管密封副的加工公差、跳動度和表面粗糙度等很精密，但在錐面的接觸過程中，由于密封副的配合和密封座的變形，并不是面接觸密封而是線接觸密封，錐形密封結構設計加工過程中，要根據材質控制閥芯和閥座錐面角度不同，保證先接觸密封，才能夠有效提高錐形密封副的接觸密封性。

2.3換向閥常見故障

國內手動片式換向閥組常見故障有：①中位串液；②工作位串液；③操縱機構故障；④抗污染能力差；⑤壽命低和可靠性差。隨著煤礦高產高效對液壓支架的升架、降架、移架速度要求越來越高，對液壓支架的工作阻力和所配套的各種液壓缸的缸徑和換向閥閥的流量提出了新的要求，即大工作阻力，大缸徑、大流量，由此大流量換向閥應運而生。由于換向閥零件較多，生產工藝復雜，且采用軟密封，密封件在受到大流量高壓液體的沖擊下極易損傷，一些企業轉而采用硬密封，將進回液閥芯結構進行一體化設計，減少零件數量，但對加工要求苛刻，一般企業很難滿足要求。

2.4換向閥的計算機輔助設計

利用計算機作為工具來研究換向閥的結構和實際工作時的動態特性已成為發展的必然趨勢。通過理論推導建立已有換向閥的數學模型，對實驗結果與仿真結果進行比較，驗證數學模型的準確度，并把這個數學模型作為今后改進和設計類似元件的仿真依據，具有極大的現實意義。同時，通過動態結構仿真，研究主要參數對整體動態特性的影響，確定參數的最佳匹配，提供實際設計所需的數據。目前，在液壓元件設計方面，國內傳統設計中只考慮元件靜態特性，而很少涉及其動態特性，這在安全性要求越來越高的液壓支架用閥的設計中已越來越不能滿足實際需求。近年來，許多科技工作者和工程技術人員已做了很多工作，并取得了一定成果。國外，1994年The MathWorks公司即推出了可運行于Microsoft Windows下的Simulink用來對動態系統進行建模仿真的分析包。國內，浙江大學推出了Simul/ZD液壓仿真專用軟件。如今PHOENICS、FLUENT、STAR-CD以及CFX等分析軟件發展迅速，極大地縮短了開發周期，降低了成本，受到越來越多的重視。

三、小結

隨著原MT 419-1995液壓支架用閥標準的升級（GB25974.3-2010煤礦用液壓支架（第三部分：液壓控制系統及閥）已頒布目前為過渡期），目前插裝式閥芯組件已廣泛應用到電液控換向閥等高端閥，普通的閥類應用國內目前正在進一步發展中，尚未形成統一；零件材質已廣泛使用不銹鋼材質，密封材料也有了進一步的研究和應用。對于手動換向閥國外基本不使用，國內主要是鄭煤機，豐隆，凡爾等生產，但各個廠家產品性能和結構均有不小差異，由于該換向閥是液壓支架的重要液壓控制元件，也是各廠家的必爭之地。各廠家均在進行產品改進和更新，以滿足不斷提升的工礦需求。

四、 參考文獻

【1】 鄭波，陳韜宇，張衛革.液壓支架的現狀與發展.山東工業技術，2016，（11）：10.

【2】 李建民，耿清友，周志坡.我國煤礦綜采技術應用現狀與發展[J].煤炭科學技術，2012，40（10）：55-60.

【3】 梁敬國.充填支架大流量換向閥使用中的問題與優化改進.科技創業家，2012，（9）上：100.