主井箕斗卸載系統氣壓回路的設計與應用

白銀有色集團股份有限公司深部礦業公司 甘肅白銀730900

氣壓傳動是利用壓縮空氣傳遞運動和動力的一種傳遞方式，由于具有空氣黏性小、傳遞阻力小、傳遞速度快、反應靈敏及氣壓傳動更適合于遠距離傳輸和控制等優點，因此，氣壓傳動已廣泛應用在礦山機械、輕工、食品以及汽車等行業。在白銀深部礦業主井提升系統中，箕斗卸載系統就是以空壓站輸送的壓縮空氣為動力源，用φ250 mm、行程為 1 000 mm 的中間支點雙作用氣缸為執行元件，帶動卸載直軌運動，完成側卸式箕斗卸礦工作。

1 雙作用氣缸控制回路

目前，白銀深部礦業主井提升機箕斗卸載系統雙作用氣缸是電磁換向閥控制的單一氣壓回路，其原理如圖 1 所示。由于電磁閥的公稱通徑 (DN15)較小，氣缸的運動速度較慢，卸載效率較低。為了提高生產效率，白銀深部礦業用公稱通徑為 DN20 的電磁閥替換了原來的電磁閥，替換后雖然氣缸的運行速度和卸載效率提高了，但氣缸活塞行程臨近末端時，活塞對氣缸和氣缸支架產生了較大的沖擊，容易造成氣缸和支架的損壞。為了解決這一問題，筆者對主井提升機箕斗卸載系統雙作用氣缸控制回路進行了設計改造。

2 雙作用氣缸控制回路分類

氣壓傳動系統一般通過氣缸元件執行預定動作。氣缸運動速度的控制是需要重點考慮的，如果控制不當將對執行機構造成沖擊，出現爬行等現象，一方面會降低氣缸和設備的使用壽命，另一方面直接威脅到操作工的人身安全。所以氣缸運動速度的控制在整個氣壓傳動的控制中占有重要地位。

雙作用氣缸的控制方式有以下幾種：雙作用氣缸的無調速控制 (見圖 1)、進氣節流調速控制 (見圖2)、排氣節流調速 (見圖 3)、快速排氣閥調速 (見圖 4)及排氣節流閥調速 (見圖 5)。在實際應用中，可根據執行機構對速度的要求進行選擇。

3 兩種節流形式對雙作用氣缸運動速度的影響

影響氣缸運動速度的因素很多，如氣源的氣壓與供氣量、電磁閥的通徑 (流量)、氣管的直徑與長度、氣缸的缸徑、控制元件在氣路中的位置等。

對雙作用氣缸來說，常用的節流調速回路可分為進氣節流和排氣節流兩種方式，這兩種節流方式對氣缸運動速度的影響非常大。以白銀深部礦業主井箕斗卸載氣缸為例，通過現場多次的反復試驗，進氣節流和排氣節流對雙作用氣缸速度的影響總結如下。

3.1 雙作用氣缸的進氣節流

圖2 雙作用氣缸的進氣節流調速

圖3 雙作用氣缸的排氣節流調速

圖4 雙作用氣缸的快速排氣閥調速

圖5 雙作用氣缸的排氣節流閥調速回路

雙作用氣缸的進氣節流是將節流閥安裝在氣缸的進氣支路上，原理如圖 2 所示，通過調節氣缸的進氣速率來控制氣缸的運動速度。

采用進氣節流方式時，由于氣缸的進氣管安裝了節流閥，壓縮空氣緩慢進入，進氣腔的氣壓逐漸增大，此時氣缸動作緩慢，當氣缸進氣腔壓力大于負載壓力后，氣缸運動速度才逐漸增加。在氣缸動作初期，氣缸的運動速度隨負載的增大而波動。由于進氣緩慢，采用進氣節流回路的雙作用氣缸的運動加速度沒有采用排氣節流時的加速度大。

3.2 雙作用氣缸的排氣節流

排氣節流則是在雙作用氣缸的排氣支路上安裝節流閥，原理如圖 3 所示，通過調節氣缸的排氣速率來控制氣缸的速度。

采用排氣節流方式時，氣缸進氣流量比較大，氣缸速度在短時間內就達到了穩定值，由于氣缸排氣支路安裝有節流閥，在氣缸排氣腔內形成與負載相應的背壓，在負載保持不變或微小變動的條件下，氣缸運動一直比較平穩，直至氣缸行程結束。由于進氣沒有節流阻力，進氣腔的進氣速率較大，氣缸運動的加速度比采用進氣節流時的加速度大。

4 雙作用氣缸控制回路的選擇原則

在氣壓傳動過程中，為了實現預期的運動功能，氣缸控制回路的選擇十分重要，一般遵循以下原則：

(1)當運動速度較大而行程末端要求運動平穩以避免沖擊時，應選用帶緩沖裝置的氣缸；

(2)對于大慣性負載，應在氣缸行程末端安裝緩沖器或設計減速回路；

(3)水平安裝的氣缸推動負載時，推薦用排氣節流調速；垂直安裝的氣缸舉升負載時，推薦用進氣節流調速。

5 雙作用氣缸速度控制回路在箕斗卸載系統中的應用實踐

5.1 卸載系統對氣缸運動的要求

箕斗卸載開始時，由于負載較大，需要較大的進氣量啟動氣缸并使其平穩運行，隨著氣缸活塞桿的收回，卸載直軌的傾斜，礦石逐漸從箕斗卸出。氣缸行程臨近末端時，為了減小活塞桿對氣缸和氣缸支架的沖擊，應以較慢的速度運行；箕斗卸載完成后，卸載直軌須從傾斜位置恢復到垂直位置，整個過程為輕載狀態。為了提高生產效率，快速運行氣缸，氣缸行程臨近末端時，為了減小對氣缸和箕斗的沖擊，應以較慢的速度運行。

5.2 控制回路的選擇

(1)主井提升機箕斗卸載系統使用的雙作用氣缸沒有緩沖裝置，只能通過減速回路來減小氣缸在行程末端的沖擊。

(2)主井提升機箕斗卸載系統的雙作用氣缸水平推動負載，因此選用排氣節流調速回路。

(3)根據卸載系統的工作要求，選擇氣壓回路的換向閥。

根據卸載系統對氣缸的工作要求，選用便于實現電、氣聯合控制且具有記憶功能，即通電換向、斷電保持原狀態的先導式雙電控電磁換向閥，為保證主閥正常工作，2 個電磁閥不能同時通電，且電路互鎖。

5.3 控制回路的設計實施

根據箕斗卸載系統的要求設計的氣壓控制回路如圖 6 所示。其工作原理：在初始位置二位五通換向閥V1左位接入系統，如圖 6(a)所示，壓縮空氣經二位五通換向閥V1的A口進入氣缸左腔，使活塞桿伸出，卸載直軌處于垂直狀態；當箕斗提升到箕斗卸載位置時，按下傾斜按鈕鍵，二位五通換向閥V1的右位接入系統，如圖 6(b)所示，壓縮空氣經換向閥V1的B口進入氣缸右腔，使活塞桿收回 (調節節流閥F2和F4，獲得適當的卸載速度)，當活塞桿收回至指定位置時，接近開關K1動作，使得常開電磁閥V2通電關閉，氣缸左腔的氣體只能通過節流閥F2排出，氣缸運行速度很慢，直到行程結束；當按下垂直按鈕時，二位五通換向閥V1的左位接入系統，如圖 6(b)所示，壓縮空氣經換向閥V1的A口進入氣缸左腔，使活塞桿伸出 (調節節流閥F1和F3，獲得適當的伸出速度)，當活塞桿伸出至指定位置時，接近開關K2動作，常開電磁閥V3通電關閉，氣缸右腔的氣體只能通過節流閥F1排出，氣缸運行速度緩慢，直到行程結束，卸載直軌回到起始垂直位置，完成了提升機箕斗的一個卸載周期。

圖6 卸載直軌氣壓控制回路

通過對箕斗卸載系統氣壓回路的設計改造，不但提高了卸載系統的卸載效率，而且降低了卸載系統的故障率。

6 結語

在雙作用氣缸的節流調速回路中，不管是進氣節流調速回路還是排氣節流調速回路，要想控制氣缸的變速運動，必須根據預期運動要求，在氣控支路加裝控制單元，設計出合理可行的控制回路，對氣缸的進氣或者排氣進行特殊控制，才能達到預期的運動目的。