推進裝置液壓控制系統的改進設計研究

孟慶楠

（上海圣克賽斯液壓股份有限公司，上海 201617）

1 概述

推進裝置的速度控制液壓系統廣泛應用在鑿巖機、高空作業車等工程機械上，目的是實現對推進裝置的速度實行控制，此裝置要求壓力高運動能實現變速運行平穩安全可靠，目前，其液壓控制系統存在結構復雜運動速度控制不夠穩定的情況，為了減輕設備的重量液壓系統采用集中控制，采用應用廣泛的螺紋插裝閥和集成閥塊進行控制，閥塊是集成式液壓系統的核心單元，它由內部布置有液壓系統孔道的閥塊體和其上安裝的各種液壓元件組合而成；對于速度控制，采用比例控制閥來實現對速度的控制消除速度運動的不穩定因素。

2 改造前的速度控制液壓系統

推進裝置的液壓控制系統主要用來實現對裝置的速度進行控制，可實現推進裝置的高、低速控制及返回速度控制。推進裝置改進前的液壓系統，如圖1所示。電機泵1為整個系統提供動力，過濾器2用來過濾液壓回油，調壓閥3用來控制整個液壓系統的壓力，通過電磁閥4和電磁閥9配合使用，通過單向閥7和調速閥8來實現對推進裝置運動速度的快速，慢速，通過單向閥6和調速閥5實現對裝置回程速度的控制。

其工作過程如下：換向閥4左側得電，電磁閥9得電，壓力油經電磁閥進入油缸無桿腔，油缸獲得一個由系統提供流量的控制速度；電磁閥9斷電，壓力油經單向閥7、節流閥8進入油缸的無桿腔，油缸獲得一個由節流閥控制的速度；換向閥4右側得電，油缸下行，無桿腔液壓油經單向閥6、節流閥5返回，此時油缸獲得了一個由節流閥5控制的速度。此套控制系統在正常的維護保養情況下，該速度推進控制運行能滿足設備要求，實現前進快、慢速轉換和返回的速度的雙路調速功能，現有設備采用板式閥，結構較為復雜，存在體積大、成本高、拆卸不便的缺陷，同時，由于電磁鐵換向存在延時在速度轉換時候裝置運動不平穩有沖擊，不能較好地滿足使用要求。鑒于此，對此速度控制系統進行了改進設計，著重解決以下幾個問題：目前，控制閥采用的是板式閥，體積大容易泄露，結構復雜，占用空間很大，給維修帶來了難度；此套控制系統速度由快速轉慢速時，存在沖擊，節流閥調速存在不靈活。

圖1 更改前液壓原理圖

3 改造后的速度控制液壓系統

基于以上兩個問題，在之前系統工作原理的基礎上，進行了改進設計，改進后的液壓系統原理，如圖2所示。

一方面，重新設計推進裝置的液壓控制系統，利用現在廣泛應用的螺紋插裝閥，可以減少板閥帶空間偏大的問題，將速度調節的節流閥和電磁閥改為電比例調速閥，對油缸速度能更精確地控制，實現無級調速；另一方面，采用單向閥橋式連接形式集成到一個液壓閥組中，而單向閥的成本比較低，結構決定了其抗耐污染能力比滑閥液壓閥要強，提高了系統的可靠性；螺紋插裝閥體積小、結構緊湊、安裝簡單可靠，插裝閥集中安裝在一個集成塊中，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，減少系統的泄漏，適合批量生產。

圖2 更改后液壓原理圖

其工作工程如下：當換向閥4左側得電，液壓油經單向閥5、比例調速閥9、單向閥8進入油缸的無桿腔，此時，油缸的速度由電比例調速閥來實現快速慢速，速度平穩，消除了沖擊，當換向閥右側得電，油缸返回無桿腔油液經單向閥6、比例調速閥9、單向閥7返回，此時，油缸的速度由電比例調試閥來實現控制,這樣速度推進由一個電比例調速閥、4個單向閥來實現。

4 案例

以某礦山鉆機設備實際應用為例，具體說明改進設計的應用，設備要求速度控制裝置使用壓力21MPa，流量160L/min實現裝置先快進再慢進，回程速度可調，根據客戶現有設備整體布局，考慮設備空布局受限，采用螺釘通孔安裝固定，上面出油管，可調元件上面安裝，應用以上改進的速度控制原理，閥件采用插裝閥并整體集成在一個塊體上，稱為集成控制閥組，集成控制閥組的體積小、結構緊湊，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，集成控制閥組設計成比例調速閥上面和單向閥對稱布置的形式。集成閥組材料根據使用壓力21MPa和材料的物理特性，此次設計采用45號鋼（或者鍛鋼），根據負載使用的流量大小160L/min,選擇合適的閥件，匹配相應的油口或者根據客戶的要求確定油口大小，此時，根據客戶要求選用G1油口頂面布置，設計塊體的孔道時，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，其直徑一般應按通過的流量和允許流速計算確定，孔口須按管接頭螺紋小徑鉆孔并攻螺紋。

根據油道的孔徑計算公式：

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

根據孔道之間壁厚計算公式：

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

據此設計選型如表1。

表1 閥塊設計參數計算表

遵循上述設計原則和計算的結果，應用三維設計軟件INVENTOR平臺設計出集成控制閥組，集成塊尺寸為170×110×60（mm），通過設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系，同時可以通過三維軟件自帶的應力分析功能對設計的閥塊進行應力分析，改進的三維模型設計如圖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部組織致密，不得有夾層、沙眼等缺陷，必要時應對毛坯探傷，鋼材塊在加工前進行時效處理和預處理，閥塊的表面粗糙度一定要達到要求，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，閥塊進入裝配前必須徹底清洗，應用專用設備，清洗，沖洗時最好有一定的壓力，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，在裝配前應再次校對孔道的連通情況是否與原理圖相符，校對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）樣件試驗驗證，按要求加工組裝好液壓集成閥組在超過24小時后，在調試前應先進行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臺進行耐壓試驗和功能測試， 檢測集成各液壓閥安裝表面和安裝孔的密封性問題，按要求設定好各閥的壓力值，整個液壓閥組在壓力21MPa的情況下，保壓30min測試集成閥組的耐壓及密封情況，多次啟閉驗證沖擊能力，閥塊各油口和閥件有沒有泄漏 經測試無泄漏，整體測試結果表明，該集成閥組沒有出現漏油、發熱現象，運行平穩、可靠。

（3）改進后的性能及使用情況。對改進的控制集成閥組進行了客戶現場實際測試，經過多次調試，完全滿足設備的使用要求，較之前的閥組對速度的控制更靈活，速度切換沖擊減少，速度運行平穩、可靠。

5 結語

目前，本設計的推進裝置液壓控制系統已形成批量生產，經過試驗和改進，此閥組應用在礦山設備、冶金設備等工程機械上，拓展了公司在工程機械中對速度控制的系統回路，通過使用螺紋插裝閥替代了傳統板式閥的使用，掌握了推進裝置的液壓控制系統的制造和研發技術，擴大了對油缸速度的控制的使用范圍，創造出良好的經濟效益。