孫　哲，彭秀英，羅艷蕾，潘　克

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550025)

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二通插裝閥應(yīng)用于混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能

孫哲1，彭秀英1，羅艷蕾1，潘克2

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：針對(duì)混凝土泵液壓系統(tǒng)的高壓大流量特點(diǎn)，在分析系統(tǒng)主要能耗形式和二通插裝閥工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合二通插裝閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化通用化程度高、通油能力大、液阻小、密封性能好等特點(diǎn)，提出一種基于二通插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能方法。

關(guān)鍵詞:混凝土泵液壓系統(tǒng)大流量二通插裝閥

0引言

混凝土泵是一種混凝土輸送裝備，它利用壓力將混凝土沿管道連續(xù)輸送，并進(jìn)行澆灌。被廣泛用于水利、隧道、橋梁、高樓等高層建筑和大型土木工程的混凝土輸送工作。它對(duì)保證工程質(zhì)量、提高施工速度、增加施工安全等起著十分重要的作用。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各種基礎(chǔ)建設(shè)的施工規(guī)模和范圍不斷擴(kuò)大,使得建筑機(jī)械以及相關(guān)混凝土輸送機(jī)械得到了飛速發(fā)展。由于對(duì)工程進(jìn)度的要求越來(lái)越高,使得泵送壓力更高,輸送量更大,再加上市場(chǎng)變化快,因此對(duì)混凝土泵的性能要求也越來(lái)越高。目前液壓傳動(dòng)已在混凝土泵液壓系統(tǒng)中廣泛使用。液壓系統(tǒng)主要分為三個(gè)子系統(tǒng)：泵送主系統(tǒng)、換向系統(tǒng)、攪拌清洗系統(tǒng)。在傳統(tǒng)混凝土泵的液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的回路復(fù)雜，而且在高壓大流量時(shí)工作的功率損失大，發(fā)熱嚴(yán)重，因此大大影響了系統(tǒng)的工作效率。在未來(lái)混凝土泵的發(fā)展主要方向是：提高主機(jī)性能和作業(yè)效率，降低使用成本，提高舒適性以及適應(yīng)法規(guī)要求[1]。

本文針對(duì)高壓大流量混凝土泵功率損失大的問(wèn)題，進(jìn)行液壓系統(tǒng)功率損失分析，采用二通插裝閥取代傳統(tǒng)液壓控制閥，實(shí)現(xiàn)混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能。

1混凝土泵液壓系統(tǒng)能量損失分析

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能量損失主要包括以下幾個(gè)方面：1)液壓控制元件的能量損失；2)液體在管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的沿程損失；3)液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等處的局部損失。而在液壓系統(tǒng)中，能量損失主要是因節(jié)流孔和閥對(duì)液流起節(jié)流和控制作用時(shí)產(chǎn)生的，即液壓控制元件的能量損失。液體在流經(jīng)閥口時(shí)，因其方向和流速的變化會(huì)攪拌而形成氣穴、漩渦或使邊界層剝離，液體質(zhì)點(diǎn)相互撞擊而產(chǎn)生能量損失。

若要降低液壓系統(tǒng)的能量損耗，最有效的解決措施是將液壓系統(tǒng)高度集成，如將換向閥、高低壓轉(zhuǎn)換閥改為額定流量足夠大、壓力損失小的二通插裝閥結(jié)構(gòu)；適當(dāng)增大通道內(nèi)徑以減小油流速度等。

2基于二通插裝閥的節(jié)能方法

插裝閥是一種二位二通的開(kāi)關(guān)閥，在高壓、大流量的液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。插裝閥的基本結(jié)構(gòu)是由控制蓋板、插裝件、閥塊和先導(dǎo)控制閥組成。

2.1插裝件的節(jié)能

插裝件由閥套、閥芯(通常為錐閥芯)、彈簧和密封件組成。搭配不同功能的控制蓋板，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量和方向的控制。插裝件的主要功能是在油壓和調(diào)控零件作用力的作用下,通過(guò)閥芯和閥套之間相對(duì)移動(dòng)，改變閥口的通流截面的節(jié)流特性從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主油路油流的控制。在此我們以用于方向控制的錐閥插裝件舉例對(duì)比說(shuō)明普通滑閥時(shí)的幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。

第一，過(guò)流量大。傳統(tǒng)的混凝土泵車(chē)液壓系統(tǒng)常采用各類(lèi)普通滑閥作為減壓閥、換向閥等，而二通插裝閥由于其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，與一般液壓閥相比，尤其是在高壓大流量的情況下，具有通流能力更大的特點(diǎn)。一般標(biāo)準(zhǔn)滑閥的最大通徑為80 mm，最佳的額定流量為1 250 L/min，對(duì)比表1，我們查出對(duì)于同樣通徑的錐閥插裝閥，在壓力損失與滑閥相同情況下，流量可通過(guò)2 000 L/min～4 000 L/min，大大提高了混凝土泵的工作效率。

表1

公稱(chēng)通徑與流量范圍

第二，閥芯更易操作。在高壓大流量系統(tǒng)應(yīng)用中，普通滑閥機(jī)構(gòu)在液流流經(jīng)閥芯部分時(shí)受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和液壓卡緊力對(duì)閥的使用性能有很大影響。而二通插裝閥在設(shè)計(jì)中采用了錐閥閥芯，有效的規(guī)避了液壓卡緊現(xiàn)象，便于操作，優(yōu)勢(shì)更加突出。

第三，局部壓力損失減小。液體在流動(dòng)中，由于流經(jīng)彎頭、突擴(kuò)管、突縮管、閥口等處時(shí)，將產(chǎn)生流動(dòng)阻力。為克服流動(dòng)阻力所損失的能量有公式如下：

(1)

式中：Δpj為局部壓力損失，ρ—液體密度，ξ—局部壓力損失系數(shù)，v—流體過(guò)流斷面上平均流速。

關(guān)于閥類(lèi)的局部壓力損失系數(shù)選取參考可參見(jiàn)表2。

表2

主要液壓閥局部壓力損失系數(shù)

由公式可以看出，液體的局部壓力損失與局部壓力損失系數(shù)、流體速度成正比關(guān)系。因此，若想降低局部壓力損失，應(yīng)盡量減小局部壓力損失系數(shù)。以面積比為1∶1.5的閥芯帶密封圈的插裝件為例，其閥口應(yīng)參考角閥的局部壓力損失系數(shù)，與同類(lèi)的方向控制閥相比，即局部壓力損失大大減小，由此可知，使用插裝件可大幅減小局部壓力損失系數(shù)。

在應(yīng)用插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)中，二通插裝閥因其具有過(guò)流面積大的特點(diǎn)，又根據(jù)流量公式：

Q=AV

(2)

式中：A為過(guò)流截面面積，V為液體流速。可知在流量一定的情況下，過(guò)流面積的增大可使油液的流動(dòng)速度降低，從而減小油液之間的內(nèi)摩擦力，方可減小壓力損失。

2.2先導(dǎo)控制元件的節(jié)能

先導(dǎo)控制閥安裝在控制蓋板或控制閥塊上，是一種可直接控制閥芯的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。利用二通插裝閥控制大流量通流，通常采用小流量小通徑的電磁先導(dǎo)閥與錐閥插裝組合的方法，常用規(guī)格多為φ6和φ10通徑規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)電磁換向閥及以其為基礎(chǔ)的疊加閥等，開(kāi)啟先導(dǎo)閥的流量通常1 L/min～3 L/min，所需的輸入信號(hào)小，其電磁鐵通常采用濕式結(jié)構(gòu)。濕式電磁鐵的推桿與閥芯連成一體，減小了閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，提高了效率和可靠性，并且濕式電磁鐵具有噪音小、使用壽命長(zhǎng)、散熱快、可靠性好效率高等優(yōu)點(diǎn)。

小流量小通徑電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)作控制消耗功率小，發(fā)熱量少，系統(tǒng)效率高，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能高效。小流量小通徑電磁先導(dǎo)閥控制大流量的錐閥動(dòng)作實(shí)現(xiàn)大流量通流。開(kāi)啟電磁先導(dǎo)閥所需流量小，閥芯動(dòng)作靈敏，絕大部分油液都流經(jīng)二通插裝閥，即滿足了液壓系統(tǒng)對(duì)傳輸大流量能力的要求，進(jìn)而可滿足混凝土泵日漸發(fā)展的對(duì)高壓大流量的需求，并且具有壓力損失小，沖擊小，密封性良好的優(yōu)點(diǎn)[4]。

2.3二通插裝閥在混凝土泵液壓系統(tǒng)中的實(shí)例分析

當(dāng)我們采用普通控制閥來(lái)代替二通插裝閥控制大流量通流時(shí)，為滿足大流量的流通要求，應(yīng)采用大通徑的控制閥，而大通徑的控制閥體積大，動(dòng)作時(shí)消耗功率大，接頭配件多，密封效果差，泄漏量大，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低，同時(shí)需要的控制閥的數(shù)量多，因此能耗大。

圖1中是混凝土泵車(chē)主液壓系統(tǒng)原理圖(部分系統(tǒng)原理圖)，對(duì)某一型號(hào)混凝土泵車(chē)主液壓系統(tǒng)采用全部二通插裝閥等效控制，要求起到不同液壓閥的作用。該液壓系統(tǒng)主要由恒功率變量泵、插裝式三位四通換向閥、插裝式電磁溢流閥、高低壓切換二通插裝閥、二通插裝減壓閥、梭閥、壓力繼電器、壓力表、蓄能器等組成。

圖1　基于二通插裝閥的混凝土泵液壓系統(tǒng)主要原理圖

如圖1，原動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，在泵送時(shí)電磁體DT1得電，插裝式溢流閥L1壓力設(shè)定為31 MPa，油液同時(shí)經(jīng)插裝式減壓閥L2向蓄能器充液，L2的調(diào)定系統(tǒng)的壓力為19 MPa，因此控制油路的最高壓力不超過(guò)19 MPa，蓄能器壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，壓力繼電器YD2將向PLC發(fā)出信號(hào)，此時(shí)DT3得電，控制油經(jīng)梭閥流向插裝式三位四通換向閥左位，二位四通換向閥左位控制L3、L4關(guān)閉，L5、L6打開(kāi)，油液經(jīng)L5流向L14、L15。先導(dǎo)二位四通閥處右位，L15關(guān)閉，油液經(jīng)L14流入主缸1有桿腔，主缸1縮回。主缸1無(wú)桿腔經(jīng)L11向主缸2有桿腔注油，主缸2有桿腔經(jīng)L13和L6流入油箱，主缸2伸出，帶動(dòng)混凝土缸3縮回吸入混凝土。同時(shí)，由于混凝土缸3有桿腔壓力增大，控制油經(jīng)有桿腔流向液控先導(dǎo)二位四通換向閥，使閥處右位(此時(shí)二位四通電磁換向閥先進(jìn)行DT2得電換向操作)，從而控制L3、L4打開(kāi)，L5、L6關(guān)閉。主缸伸出到位時(shí)，發(fā)出電信號(hào)控制DT2得電，DT5得電。三位四通換向閥處左位，控制二通插裝閥L7、L8打開(kāi)，油液經(jīng)L18流向L8進(jìn)入混凝土缸4無(wú)桿腔，使缸4伸出，缸3縮回，當(dāng)主缸行程到位時(shí)，發(fā)出電信號(hào)控制DT6得電，從而控制二通插裝閥L9、L10通斷，交替推動(dòng)混凝土缸動(dòng)作。

與傳統(tǒng)回路相比，使用二通插裝閥的等效回路有以下優(yōu)點(diǎn)，首先，后者擴(kuò)大了先導(dǎo)控制閥的作用, 并且必要的元件與連接管路大大減少，減小了油液流經(jīng)閥口時(shí)的沖擊次數(shù)與摩擦?xí)r的能量損失，從而可達(dá)到節(jié)能的效果。其次,二通插裝閥先導(dǎo)控制閥富于變化和靈活組合,是整個(gè)控制中最敏感和可變的部分。在許多場(chǎng)合下二通插裝閥控制回路的變換,經(jīng)常表現(xiàn)為只變化其電磁先導(dǎo)閥，但卻影響著整個(gè)控制回路的特性。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析混凝土泵液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與存在的問(wèn)題，指出系統(tǒng)耗能的途徑，提出基于使用二通插裝閥降低能耗的控制策略。對(duì)二通插裝閥控制回路在高壓大流量的混凝土泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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The application of two-way cartridge valve in hydraulic system of concrete pumps for energy saving

SUN Zhe, PENG Xiuying, LUO Yanlei, PAN Ke

Abstract:Considering the high-pressure and large-flow working conditions of the hydraulic system of concrete pumps, we analyzed the main energy consumption form of the system and the working principle of the two-way cartridge valve. Based on the simple structure, high levels of standardization and generalization, great oil flow capacity, little liquid resistance, and good seal performance of the two-way cartridge valve, we put forward an energy saving strategy for the hydraulic system of concrete pumps.

Keywords:concrete pump; hydraulic system; large flow; two-way cartridge valve

收稿日期：2015-09-24

作者簡(jiǎn)介：孫哲，女，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娨合到y(tǒng)與控制。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0041-04