二通插装阀应用于混凝土泵液压系统的节能

孙　哲，彭秀英，罗艳蕾，潘　克

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳550025)



二通插装阀应用于混凝土泵液压系统的节能

孙哲1，彭秀英1，罗艳蕾1，潘克2

(1.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳550025)

摘要：针对混凝土泵液压系统的高压大流量特点，在分析系统主要能耗形式和二通插装阀工作原理的基础上，结合二通插装阀结构简单、标准化通用化程度高、通油能力大、液阻小、密封性能好等特点，提出一种基于二通插装阀的混凝土泵液压系统的节能方法。

关键词:混凝土泵液压系统大流量二通插装阀

0引言

混凝土泵是一种混凝土输送装备，它利用压力将混凝土沿管道连续输送，并进行浇灌。被广泛用于水利、隧道、桥梁、高楼等高层建筑和大型土木工程的混凝土输送工作。它对保证工程质量、提高施工速度、增加施工安全等起着十分重要的作用。

近年来，随着国内各种基础建设的施工规模和范围不断扩大,使得建筑机械以及相关混凝土输送机械得到了飞速发展。由于对工程进度的要求越来越高,使得泵送压力更高,输送量更大,再加上市场变化快,因此对混凝土泵的性能要求也越来越高。目前液压传动已在混凝土泵液压系统中广泛使用。液压系统主要分为三个子系统：泵送主系统、换向系统、搅拌清洗系统。在传统混凝土泵的液压系统中应用的回路复杂，而且在高压大流量时工作的功率损失大，发热严重，因此大大影响了系统的工作效率。在未来混凝土泵的发展主要方向是：提高主机性能和作业效率，降低使用成本，提高舒适性以及适应法规要求[1]。

本文针对高压大流量混凝土泵功率损失大的问题，进行液压系统功率损失分析，采用二通插装阀取代传统液压控制阀，实现混凝土泵液压系统的节能。

1混凝土泵液压系统能量损失分析

液压传动系统能量损失主要包括以下几个方面：1)液压控制元件的能量损失；2)液体在管中流动时因摩擦而产生的沿程损失；3)液体流经阀口、弯管、通流截面变化等处的局部损失。而在液压系统中，能量损失主要是因节流孔和阀对液流起节流和控制作用时产生的，即液压控制元件的能量损失。液体在流经阀口时，因其方向和流速的变化会搅拌而形成气穴、漩涡或使边界层剥离，液体质点相互撞击而产生能量损失。

若要降低液压系统的能量损耗，最有效的解决措施是将液压系统高度集成，如将换向阀、高低压转换阀改为额定流量足够大、压力损失小的二通插装阀结构；适当增大通道内径以减小油流速度等。

2基于二通插装阀的节能方法

插装阀是一种二位二通的开关阀，在高压、大流量的液压系统中应用广泛。插装阀的基本结构是由控制盖板、插装件、阀块和先导控制阀组成。

2.1插装件的节能

插装件由阀套、阀芯(通常为锥阀芯)、弹簧和密封件组成。搭配不同功能的控制盖板，即可实现对液压系统压力、流量和方向的控制。插装件的主要功能是在油压和调控零件作用力的作用下,通过阀芯和阀套之间相对移动，改变阀口的通流截面的节流特性从而实现对主油路油流的控制。在此我们以用于方向控制的锥阀插装件举例对比说明普通滑阀时的几点优点。

第一，过流量大。传统的混凝土泵车液压系统常采用各类普通滑阀作为减压阀、换向阀等，而二通插装阀由于其本身结构特点的不同，与一般液压阀相比，尤其是在高压大流量的情况下，具有通流能力更大的特点。一般标准滑阀的最大通径为80 mm，最佳的额定流量为1 250 L/min，对比表1，我们查出对于同样通径的锥阀插装阀，在压力损失与滑阀相同情况下，流量可通过2 000 L/min～4 000 L/min，大大提高了混凝土泵的工作效率。

表1

公称通径与流量范围

第二，阀芯更易操作。在高压大流量系统应用中，普通滑阀机构在液流流经阀芯部分时受到的稳态液动力和液压卡紧力对阀的使用性能有很大影响。而二通插装阀在设计中采用了锥阀阀芯，有效的规避了液压卡紧现象，便于操作，优势更加突出。

第三，局部压力损失减小。液体在流动中，由于流经弯头、突扩管、突缩管、阀口等处时，将产生流动阻力。为克服流动阻力所损失的能量有公式如下：

(1)

式中：Δpj为局部压力损失，ρ—液体密度，ξ—局部压力损失系数，v—流体过流断面上平均流速。

关于阀类的局部压力损失系数选取参考可参见表2。

表2

主要液压阀局部压力损失系数

由公式可以看出，液体的局部压力损失与局部压力损失系数、流体速度成正比关系。因此，若想降低局部压力损失，应尽量减小局部压力损失系数。以面积比为1∶1.5的阀芯带密封圈的插装件为例，其阀口应参考角阀的局部压力损失系数，与同类的方向控制阀相比，即局部压力损失大大减小，由此可知，使用插装件可大幅减小局部压力损失系数。

在应用插装阀的混凝土泵液压系统中，二通插装阀因其具有过流面积大的特点，又根据流量公式：

Q=AV

(2)

式中：A为过流截面面积，V为液体流速。可知在流量一定的情况下，过流面积的增大可使油液的流动速度降低，从而减小油液之间的内摩擦力，方可减小压力损失。

2.2先导控制元件的节能

先导控制阀安装在控制盖板或控制阀块上，是一种可直接控制阀芯的独立结构。利用二通插装阀控制大流量通流，通常采用小流量小通径的电磁先导阀与锥阀插装组合的方法，常用规格多为φ6和φ10通径规格的标准电磁换向阀及以其为基础的叠加阀等，开启先导阀的流量通常1 L/min～3 L/min，所需的输入信号小，其电磁铁通常采用湿式结构。湿式电磁铁的推杆与阀芯连成一体，减小了阀芯运动时的摩擦阻力，提高了效率和可靠性，并且湿式电磁铁具有噪音小、使用寿命长、散热快、可靠性好效率高等优点。

小流量小通径电磁先导阀的动作控制消耗功率小，发热量少，系统效率高，实现系统节能高效。小流量小通径电磁先导阀控制大流量的锥阀动作实现大流量通流。开启电磁先导阀所需流量小，阀芯动作灵敏，绝大部分油液都流经二通插装阀，即满足了液压系统对传输大流量能力的要求，进而可满足混凝土泵日渐发展的对高压大流量的需求，并且具有压力损失小，冲击小，密封性良好的优点[4]。

2.3二通插装阀在混凝土泵液压系统中的实例分析

当我们采用普通控制阀来代替二通插装阀控制大流量通流时，为满足大流量的流通要求，应采用大通径的控制阀，而大通径的控制阀体积大，动作时消耗功率大，接头配件多，密封效果差，泄漏量大，导致系统效率低，同时需要的控制阀的数量多，因此能耗大。

图1中是混凝土泵车主液压系统原理图(部分系统原理图)，对某一型号混凝土泵车主液压系统采用全部二通插装阀等效控制，要求起到不同液压阀的作用。该液压系统主要由恒功率变量泵、插装式三位四通换向阀、插装式电磁溢流阀、高低压切换二通插装阀、二通插装减压阀、梭阀、压力继电器、压力表、蓄能器等组成。

图1　基于二通插装阀的混凝土泵液压系统主要原理图

如图1，原动机启动后，在泵送时电磁体DT1得电，插装式溢流阀L1压力设定为31 MPa，油液同时经插装式减压阀L2向蓄能器充液，L2的调定系统的压力为19 MPa，因此控制油路的最高压力不超过19 MPa，蓄能器压力达到设定压力时，压力继电器YD2将向PLC发出信号，此时DT3得电，控制油经梭阀流向插装式三位四通换向阀左位，二位四通换向阀左位控制L3、L4关闭，L5、L6打开，油液经L5流向L14、L15。先导二位四通阀处右位，L15关闭，油液经L14流入主缸1有杆腔，主缸1缩回。主缸1无杆腔经L11向主缸2有杆腔注油，主缸2有杆腔经L13和L6流入油箱，主缸2伸出，带动混凝土缸3缩回吸入混凝土。同时，由于混凝土缸3有杆腔压力增大，控制油经有杆腔流向液控先导二位四通换向阀，使阀处右位(此时二位四通电磁换向阀先进行DT2得电换向操作)，从而控制L3、L4打开，L5、L6关闭。主缸伸出到位时，发出电信号控制DT2得电，DT5得电。三位四通换向阀处左位，控制二通插装阀L7、L8打开，油液经L18流向L8进入混凝土缸4无杆腔，使缸4伸出，缸3缩回，当主缸行程到位时，发出电信号控制DT6得电，从而控制二通插装阀L9、L10通断，交替推动混凝土缸动作。

与传统回路相比，使用二通插装阀的等效回路有以下优点，首先，后者扩大了先导控制阀的作用, 并且必要的元件与连接管路大大减少，减小了油液流经阀口时的冲击次数与摩擦时的能量损失，从而可达到节能的效果。其次,二通插装阀先导控制阀富于变化和灵活组合,是整个控制中最敏感和可变的部分。在许多场合下二通插装阀控制回路的变换,经常表现为只变化其电磁先导阀，但却影响着整个控制回路的特性。

3结束语

本文通过分析混凝土泵液压系统的主要特点与存在的问题，指出系统耗能的途径，提出基于使用二通插装阀降低能耗的控制策略。对二通插装阀控制回路在高压大流量的混凝土泵液压系统的节能应用提供了理论依据。

参考文献

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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

作者简介：孙哲，女，汉族，硕士研究生，研究方向为电液系统与控制。

中图分类号：TH137.52

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0041-04