上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)（集團）有限公司

1 引言

地下礦山有些地點(diǎn)的作業(yè)環(huán)境十分惡劣，為了保護操作人員的安全，使用遙控操縱的礦山設備是非常必要的。在國外，無(wú)線(xiàn)遙控的鏟運機、有線(xiàn)遙控的混凝土噴射車(chē)、電腦控制的全自動(dòng)鑿巖臺車(chē)等礦山設備已經(jīng)得到廣泛應用，取得了良好的使用效果，改善了作業(yè)條件，降低了勞動(dòng)強度，在保障作業(yè)人員安全的同時(shí)又提高了作業(yè)效率。在國內，遙控操縱的礦山設備的研制生產(chǎn)還處于起步階段，存在的一個(gè)重要問(wèn)題是如何把多路控制電信號成比例地轉換成多路液壓能輸出，完成電-液的轉換工作。為實(shí)現這一突破，北京礦冶研究總院、楓陽(yáng)液壓電磁元件廠(chǎng)、白銀有色金屬公司、北京重型汽車(chē)制造廠(chǎng)合作研制了適合礦山機械使用的 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥[1]，該閥在實(shí)驗室的測試數據達到國外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平。為了驗證該閥的實(shí)際使用性能，在中國有色金屬工業(yè)總公司礦山機械化攻關(guān)項目 HPC-11 型混凝土噴射車(chē)研制過(guò)程中，替代進(jìn)口比例閥產(chǎn)品，取得了良好的使用效果，保證了該攻關(guān)項目的順利完成[2]。

2 結構設計和工作原理

2.1 結構設計

6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥主要由主閥、先導減壓閥、比例電磁鐵和輔助閥四部分組成，見(jiàn)圖1。主閥是該比例閥的主體，包括主閥體、主閥芯和彈簧等。

圖1 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥主體結構

（1）主閥體。其大小直接影響整個(gè)比例閥的體積，因此主閥體應盡可能設計得小些。國內一般采用每聯(lián)一片的分片式主閥體或整體式主閥體兩種形式。由于主閥體內部通油孔道很多，又是主閥芯和輔助閥的包容殼體，在連接螺栓及內部高壓油的作用下容易變形。比例閥是靠電磁力及先導油壓控制的，操縱力較小，容易卡閥，因此要求主閥體有較好的強度和剛度，防止閥芯卡住。分片式閥體比較單薄，很難同時(shí)滿(mǎn)足強度、剛度大而體積又小的要求。雖然可采取整體式的主閥體，加大主閥體的剛度，減小主閥體的體積，但多聯(lián)閥共用一個(gè)主閥體，主閥體的重量很大，內部結構過(guò)于復雜，大大增加了加工難度，鑄件的廢品率也顯著(zhù)增加，導致生產(chǎn)成本提高。另外，用戶(hù)在選用比例閥為不同的主機配套時(shí)，對比例閥的聯(lián)數及閥的中位機能會(huì )有不同要求，整體式主閥體的靈活性、互換性、通用性都很差，難以滿(mǎn)足要求。所以，在比例閥的設計中，采用每?jì)陕?lián)閥使用一個(gè)主閥體，即形成塊式的主閥體，這樣就兼顧了鑄造、加工、強度、剛度幾方面的要求，同時(shí)也有利于用該閥體組成不同聯(lián)數的比例閥，滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需求。

此外，主閥體上還設計了輔助閥（包括過(guò)載閥、防空穴閥、單向閥）插裝孔，以便根據液壓系統需要插裝不同的輔助閥，使系統整體結構十分緊湊。

在主閥體與主閥體之間連接螺栓孔處，設計了薄墊片，減小主閥體在螺栓頂緊力下的整體變形，防止卡閥。

（2）主閥芯。采用圓弧節流槽作為主閥閥口，與三角形節流閥口相比，具有輸出線(xiàn)性好、抗污能力強、主閥芯不易被卡住等優(yōu)點(diǎn)，這對保證比例閥可靠工作是很重要的。

（3）先導減壓閥。布置在主閥體的兩側，每一聯(lián)主閥用兩個(gè)先導減壓閥來(lái)控制，每一個(gè)先導減壓閥控制主閥芯位移的一個(gè)方向和大小，達到控制流量大小和方向的目的。由于先導減壓閥是壓力控制元件，反饋的是油壓，對閥體沉割槽尺寸精度要求不高，設計中采用鉆閥通油孔同時(shí)形成閥體沉割槽的方式，減少機加工量，降低成本。

（4）比例電磁鐵。比例電磁鐵是電流一機械力轉換器件，鐵芯的純度、扼鐵的尺寸精度和摩擦性能都有很高要求。為了少走彎路，縮短研制周期，采用 GP 系列比例電磁鐵，該產(chǎn)品是德國 BSO 控制技術(shù)有限公司許可證產(chǎn)品，線(xiàn)性好、滯環(huán)小、質(zhì)量可靠，能夠滿(mǎn)足使用要求。

（5）輔助閥。為了簡(jiǎn)化液壓系統，減少管路連接，該電液比例閥除主閥、先導減壓閥、比例電磁鐵外，還在主閥體上集成有單向閥、減壓閥、安全閥、過(guò)載閥和防空穴閥，組成了多功能電液比例閥。

各輔助閥的功能為：①單向閥。安裝在每一聯(lián)的進(jìn)油路上，可防止工作時(shí)各聯(lián)的相互干擾，避免“點(diǎn)頭”現象。②減壓閥。減壓閥用來(lái)把工作系統高壓油減到 3.5MPa，作為控制油源，省掉專(zhuān)門(mén)的先導供油回路，簡(jiǎn)化液壓系統。③安全閥。該閥是用來(lái)防止液壓系統油壓過(guò)高，保護液壓閥及系統安全。④過(guò)載閥和防空穴閥。該電液比例閥的每一聯(lián)都可插裝過(guò)載閥和防空穴閥。過(guò)載閥可防止執行機構因受過(guò)大外力而引起的回路油壓過(guò)高，保護比例閥、液壓執行元件及管路的安全。防空穴閥可對油路進(jìn)行補油，防止空穴產(chǎn)生。如果某一聯(lián)閥不需要過(guò)載閥或防空穴閥，可在插裝過(guò)載閥或防空穴閥的位置上加堵即可。

2.2工作原理

電液比例閥液壓原理見(jiàn)圖2。

圖2 電液比例閥液壓原理（1.先導減壓閥 2.比例電磁鐵 3.主閥 4.安全閥 5.單向閥 6.減壓閥 7.過(guò)載閥 8.防空穴閥）

首先，比例電磁鐵與先導減壓閥之間以比例電磁鐵定力-先導減壓閥定壓的方式相關(guān)連。比例電磁鐵在輸入電流后輸出機械力，推動(dòng)先導減壓閥閥芯動(dòng)作，關(guān)閉泄油口，接通先導供油油源，有先導油壓產(chǎn)生。先導油壓力反向作用于先導減壓閥閥芯，使其反向移動(dòng)，直至與機械力平衡，產(chǎn)生與輸入電流成比例的先導控制油壓。

其次，主閥與先導減壓閥之間以先導定壓--主閥彈簧定位的方式耦連。由先導減壓閥輸出的控制油壓，在主閥芯端面上產(chǎn)生一個(gè)液壓作用力，使主閥芯克服彈簧彈力而移動(dòng)，關(guān)閉中位泄荷閥口，開(kāi)啟負載閥口。當主閥芯上液壓作用力與彈簧力達到平衡時(shí)，主閥芯停留在與先導控制油壓相對應的位置上，使主閥負載閥口產(chǎn)生一定的開(kāi)度，有相應的流量輸出。

總之，在額定電流范圍內，改變比例電磁鐵控制電流，先導減壓閥控制油壓隨之改變，主閥的負載閥口及輸出流量大小也隨之改變，從而起到成比例控制流量的作用。

當比例閥某些聯(lián)不需要成比例控制時(shí)，只要把這些聯(lián)上的比例電磁鐵和先導減壓閥換成普通的電磁換向閥，就可改變成沒(méi)有中間狀態(tài)、只有開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)的普通液壓閥。

3 設計計算

比例電磁鐵、先導減壓閥及主閥三者之間的合理匹配是設計的關(guān)鍵環(huán)節。

3.1 先導控制油壓與主閥芯位移

六聯(lián)電液比例閥輸出流量是由主閥芯位移量來(lái)控制的，主閥芯的位移量又是由先導控制油壓產(chǎn)生的作用力，克服主閥芯復位彈簧彈力、摩擦力、液動(dòng)力的結果。因摩擦力、液動(dòng)力均很小，忽略不計。主閥芯有大、小兩個(gè)復位彈簧。取主閥芯直徑為 16mm，通過(guò)彈簧結構參數的選取和彈簧彈力的設計計算，可得下面計算公式：

p=0.13+0.28x

其中：p 為先導控制油壓；x 為主閥芯的位移（x≤6）

當主閥芯移動(dòng)到行程終點(diǎn)時(shí)（x=6mm)，對應的先導控制油壓為最大值 p_max=0.13+0.28×6=1.8MPa。由于有 2mm 的死區，對應閥口即將開(kāi)啟時(shí)的先導控制油壓為最小值 p_min＝0.13+0.28×2=0.7MPa。先導控制油壓變化范圍應為 0.7~1.8MPa。

3.2 先導減壓閥閥芯所需推力

為了使主閥芯正常換向，先導減壓閥輸出油壓應在 0.7~1.8MPa 之間變化。取減壓閥閥芯直徑為 5mm，通過(guò)減壓閥復位彈簧參數的選取可計算出先導減壓閥閥芯所需的推力范圍是 19~40.6N。

3.3 比例電磁鐵額定工作電流

比例電磁鐵選用型號為 GP35-4-A，該比例電磁鐵最大輸入電流為 1.2A，最大輸出推力可達 63N。由該產(chǎn)品樣本特性曲線(xiàn)可得，當輸出推力為 40.6N 時(shí)，對應的輸入電流為 800mA，此即為比例電磁鐵額定工作電流。

4 加工制造

該比例閥的核心組成部分是閥體和閥芯，這也是加工制造的關(guān)鍵。由于主閥體和主閥芯較先導閥體和先導閥芯在結構上復雜得多，因而是加工制造的重點(diǎn)。

4.1 主閥體

主閥體由于內部結構復雜、通油孔道很多，對鑄件質(zhì)量要求很高。設計中主閥體采用高強度球墨鑄鐵材料，這種材料具有強度高、韌性好的特點(diǎn)，還有較好的鑄造性能、機加工性能和減磨性能。在制造過(guò)程中采用特殊的電化學(xué)清砂方法，在化學(xué)腐蝕和熱應力的共同作用下，無(wú)論是閥體表面還是深孔中的砂子都將從鑄件上剝離下來(lái)，清砂效果很好。

4.2 主閥芯

主閥芯工作時(shí)換向頻繁，易產(chǎn)生磨損，要求很高的表面硬度。為此采用 38CrMoAl 合金材料，配合滲氮處理，HV 達到 1000 以上，較好地滿(mǎn)足了使用要求。

4.3 配合間隙保證

主閥體與主閥芯配合間隙有很高要求。國外一般采用金剛石鉸刀加工閥孔，保證其尺寸公差和形位公差。由于制造專(zhuān)用金剛石鉸刀費用很高，因此在研制過(guò)程中采用研配工藝，閥孔研好，用氣動(dòng)量頭精確測量閥孔的尺寸，然后根據該尺寸配磨閥芯，直至達到配合間隙 0.008~0.015mm。

5 性能測試及主要技術(shù)參數

5.1 性能測試

六聯(lián)電液比例閥在進(jìn)行組裝和出廠(chǎng)調試后，在浙江大學(xué)液壓實(shí)驗室進(jìn)行了性能測試[4]。

輸出流量（Q）與穩態(tài)輸入電流（I）特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖 3。通過(guò)多次 Q--I 曲線(xiàn)測試得到，，滯環(huán) 6.1%，重復精度 1.9%，達到設計要求。國外同類(lèi)產(chǎn)品該項的測試結果為：滯環(huán) 6.2%，重復精度 1.8%。國產(chǎn)元件與國外同類(lèi)產(chǎn)品性能指標基木相同。

圖3 Q-I特性曲線(xiàn)

5.2 主要技術(shù)參數

6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥的主要技術(shù)參數為：公稱(chēng)通徑 10mm、額定壓力 20MPa、額定流量 4OL/min、先導控制油源壓力 3.5MPa、回油口允許背壓 2MPa、比例電磁鐵額定電流 800mA、開(kāi)關(guān)電磁鐵額定電壓 12V、滯環(huán) ＜7%、重復精度 ＜2%、頻寬 5Hz、質(zhì)量 31kg。

6 應用

為了考核 6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥的實(shí)際使用性能，將其應用在新研制的 HPC-11 型混凝土噴射車(chē)上，用來(lái)控制該車(chē)上的有線(xiàn)遙控噴射機械手。噴射機械手的液壓系統原理見(jiàn)圖4。

圖4 噴射機械手的液壓系統（1.油泵 2.背壓溢流閥 3.六聯(lián)電液比例閥 4.雙向平衡閥 5.舉升油缸 6.油馬達 7.制動(dòng)器 8.液動(dòng)順序換向閥 9.梭閥 10.伸縮油缸 11.傾動(dòng)油缸 12.折迭油缸 13.擺動(dòng)油缸）

該比例閥的特點(diǎn)是可接收電控信號，而電控信號在運算、處理、傳輸方面優(yōu)勢突出。因此，與該比例閥配套的有線(xiàn)遙控器上只需要兩個(gè)操縱手柄，即可完成對六聯(lián)比例閥的控制。噴射機械手上的六個(gè)動(dòng)作油缸是由該比例閥控制的，因此實(shí)際工作時(shí)工人只需操縱有線(xiàn)遙控器上的兩個(gè)手柄，即可完成對噴射機械手六個(gè)動(dòng)作的操縱控制。

HPC-11 型混凝土噴射車(chē)在礦山井下進(jìn)行了 400h 的工業(yè)試驗。該車(chē)由于采用了六聯(lián)電液比例控制，噴射機械手實(shí)現了有線(xiàn)遙控功能，噴射機械手的動(dòng)作可遠距離無(wú)級調節與控制，操縱自如。通過(guò)使用有線(xiàn)遙控器，操作者可在現場(chǎng)選擇適宜的工作地點(diǎn)，以獲得較好的觀(guān)察角度，也使反彈的噴射料不會(huì )打到操作者身上，在提高作業(yè)安全性的同時(shí)，還提高了作業(yè)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強度，因此深受現場(chǎng)工人的歡迎。在整個(gè)工業(yè)試驗期間，該六聯(lián)電液比例閥工作良好，未出現任何故障，為混凝土噴射車(chē)研制工作的順利完成創(chuàng )造了有利條件。

7 結語(yǔ)

（1）6DBF-10 型六聯(lián)電液比例閥是一種新型的電液接口元件，實(shí)現了多路電信號到多路液壓能的成比例轉換。該閥的滯環(huán)、重復精度和頻寬等主要技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平，可以替代同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品，為國家節約外匯。

（2）該比例閥與傳統的手動(dòng)操縱液壓閥相比，系統布置柔性加大、操縱方便、安全性好，可有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)遙控主機。由于以電信號為控制輸入信號，可以將計算機技術(shù)、數字技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)引入到主機的控制之中，使主機上等級，擴大使用范圍，提高工效，提高競爭能力。

（3）該比例閥適合在多種礦山設備上使用，如混凝土噴射車(chē)、鑿巖臺車(chē)、鏟運機等。此外，還適合工程機械及建筑機械使用，如高空作業(yè)車(chē)、小型挖掘機、小型裝載機等，其推廣應用前景十分廣闊。