煤矿用液压支架换向阀技术现状

曹江鹏　徐莉萍　丁伟　杨灵敏

摘要：随着液压支架重载化、快速化，高效化、高端化的快速发展，对液压支架换向阀提出了更高的要求。主流的液压支架换向阀主要采用复合式阀芯结构、接触式密封，根据功能需求多片组合成换向阀组使用。换向阀存在泄漏、抗污染能力差、可维护性差等问题。计算机仿真技术已经广泛应用于换向阀的结构设计，动态特性仿真已发展成为必然。

关键词：液压支架；换向阀；采煤设备

中图分类号：TD40 ？ 文献标识码：A？？文章编号：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

近年来，中国煤矿综采设备市场有一定的下滑趋势，但煤炭行业的主体地位仍将长期存在。随着我国煤炭行业的深入发展，综采设备机械化程度仍旧在快速地发展。推陈出新已成为必然。随着高产量、高效能的需求和安全意识的增强，全面提升我国煤炭开采技术水平，发展煤炭安全生产技术，提高煤矿抗灾能力，实现煤炭生产与生态环境的和谐发展已迫在眉睫。针对煤矿综采技术的发展趋势，作为采煤机械化不可或缺的关键支护设备，液压支架必然向高工作阻力、大采高、高性能、高可靠性以及高寿命的高端支架方向发展。

一、换向阀在液压支架中的作用

液压支架是通过液压泵站提供的高水基乳化液经过管路、液压控制元件和执行元件来实现能量的传递和转换，从而达到顶板支撑、升架、降架、移架和推移工作面采运设备的目的。液压支架作为综采工作面的主要配套设备，占到综采设备总资金的70%以上。从作用上看，液压支架直接决定着综采工作面能否实现安全高效生产。首先它必须适应工作面煤层顶板、底板条件，为工作人员提供安全的作业空间，其次为采运设备提供有效的动力源，它决定着生产的正常推进速度。随着近年来充填液压支架的发展，立柱缸径不断增大，支架高度和宽度不断增加，工作阻力越来越大。目前，立柱缸径可达600mm，工作阻力可达18800kN，支护高度可达到8m。对移架速度，工作稳定性，可靠性以及寿命，可维护性等方面都提出了更高的要求。换向阀是液压支架三大主要控制元件之一，也是液压支架中所需数量最多的阀类元件。根据功能需求，成组使用。换向阀组主要用于改变工作介质的流动方向，从而控制液压执行元件的动作，在液压支架上主要用于立柱、千斤顶油缸上下腔进回液换向，即控制液压缸活塞杆的伸出、缩回或停止，实现升架、降架、移架、保压等功能。

二、换向阀的技术现状

随着液压支架性能要求的不断提升，换向阀需要具备操作力矩小，操纵方便，动作准确可靠，操作时不会产生误动作，密封稳定可靠，无漏损或漏液损伤小等特点。换向阀的这些性能直接决定着各执行机构立柱、千斤顶的稳定性和可靠性，同时，也间接决定着煤矿的生产效率。

2.1换向阀结构

换向阀的工作原理是将高压液体通过操纵手柄把液体送到设计所需的各个执行元件（如立柱、千斤等）。它有高压口和回液口，当操纵手柄时高压口的压力液体就向所操纵的一侧出口供液使之作用于立柱下腔而上腔的液体则通过回液口及回液管回到油箱。

目前，液压支架换向阀的结构实际上为采用Y型中位机能的三位四通阀。由一个操纵机构同时控制两个的二位三通阀。每一个三位四通阀控制一个或多个执行元件。根据液压系统功能需要，可将一片尾片阀与数片中片阀通过双头螺柱固定在配液板上组成换向阀组，从而分别控制多个执行元件。换向阀的公称流量主要有125L，200L，400L，500L等， 公称压力为31.5MPa；操纵机构的操纵力通常为10N-15N；进回液密封副通常采用金属对优质工程材料的平面或锥面密封替代煤研3号等普通密封材料，抗污染能力提高，使用寿命增长。内部结构采用零件与组件相结合的方式，即阀芯组件与阀杆组件单独装配后形成组件，其余零件单独装配。在装配，维护时有一定的弊端，弹簧通常采用普通的镀锌弹簧。

2.2换向阀的密封方式

由于液压支架的液压系统使用的介质是高水基乳化液（5%乳化油和95%中性水），该介质黏度几乎接近于水，所以液压支架换向阀无法做成像油介质所用的间隙密封方式，通常采用接触式密封方式。常用的有硬对硬（钢对钢）、钢对工程塑料、钢对橡胶等结构。煤矿条件恶劣，难免有小比率的阀渗漏窜液，则整个工作面的渗漏窜液总量就相当严重。因此对高压二位三通阀的密封性、可靠性、寿命及易于更换维护等性能要求特别高。同时，煤矿开采要达到高产高效，要求支架完成降、移、升循环的时间控制在8～12s，对换向阀提出了高压大流量及频繁换向时达到较高可靠性和寿命的设计要求。目前国内支架换向阀最大流量已达到500L/min。国外生产的液压支架一般用的是电液控制阀，自动化程度高。

常见的换向阀阀芯密封副大致可分为两种：一种硬密封，一种软密封。软密封锥形密封根据其结构简单、便于制造，密封性能好等优点已得到广泛应用。密封结构通常采用不锈钢锥形密封阀芯，而密封座则用PEEK高温聚合塑料制造。尽管钢材或铜合金的机械性能如强度、表面硬度，远比PEEK高，制作成阀座也不难，但对其与阀芯相接触（构成密封）的表面要求很高，而且安装要求如同轴度等，对介质的要求都较严格，极易造成密封失效，甚至无法修复的硬伤。而采用PEEK只要合理利用其特性又能限制其在压力状态下的变形，就可以实现可靠密封。在阀芯阀口与阀座间的接触密封时，尽管密封副的加工公差、跳动度和表面粗糙度等很精密，但在锥面的接触过程中，由于密封副的配合和密封座的变形，并不是面接触密封而是线接触密封，锥形密封结构设计加工过程中，要根据材质控制阀芯和阀座锥面角度不同，保证先接触密封，才能够有效提高锥形密封副的接触密封性。

2.3换向阀常见故障

国内手动片式换向阀组常见故障有：①中位串液；②工作位串液；③操纵机构故障；④抗污染能力差；⑤寿命低和可靠性差。随着煤矿高产高效对液压支架的升架、降架、移架速度要求越来越高，对液压支架的工作阻力和所配套的各种液压缸的缸径和换向阀阀的流量提出了新的要求，即大工作阻力，大缸径、大流量，由此大流量换向阀应运而生。由于换向阀零件较多，生产工艺复杂，且采用软密封，密封件在受到大流量高压液体的冲击下极易损伤，一些企业转而采用硬密封，将进回液阀芯结构进行一体化设计，减少零件数量，但对加工要求苛刻，一般企业很难满足要求。

2.4换向阀的计算机辅助设计

利用计算机作为工具来研究换向阀的结构和实际工作时的动态特性已成为发展的必然趋势。通过理论推导建立已有换向阀的数学模型，对实验结果与仿真结果进行比较，验证数学模型的准确度，并把这个数学模型作为今后改进和设计类似元件的仿真依据，具有极大的现实意义。同时，通过动态结构仿真，研究主要参数对整体动态特性的影响，确定参数的最佳匹配，提供实际设计所需的数据。目前，在液压元件设计方面，国内传统设计中只考虑元件静态特性，而很少涉及其动态特性，这在安全性要求越来越高的液压支架用阀的设计中已越来越不能满足实际需求。近年来，许多科技工作者和工程技术人员已做了很多工作，并取得了一定成果。国外，1994年The MathWorks公司即推出了可运行于Microsoft Windows下的Simulink用来对动态系统进行建模仿真的分析包。国内，浙江大学推出了Simul/ZD液压仿真专用软件。如今PHOENICS、FLUENT、STAR-CD以及CFX等分析软件发展迅速，极大地缩短了开发周期，降低了成本，受到越来越多的重视。

三、小结

随着原MT 419-1995液压支架用阀标准的升级（GB25974.3-2010煤矿用液压支架（第三部分：液压控制系统及阀）已颁布目前为过渡期），目前插装式阀芯组件已广泛应用到电液控换向阀等高端阀，普通的阀类应用国内目前正在进一步发展中，尚未形成统一；零件材质已广泛使用不锈钢材质，密封材料也有了进一步的研究和应用。对于手动换向阀国外基本不使用，国内主要是郑煤机，丰隆，凡尔等生产，但各个厂家产品性能和结构均有不小差异，由于该换向阀是液压支架的重要液压控制元件，也是各厂家的必争之地。各厂家均在进行产品改进和更新，以满足不断提升的工矿需求。

四、 参考文献

【1】 郑波，陈韬宇，张卫革.液压支架的现状与发展.山东工业技术，2016，（11）：10.

【2】 李建民，耿清友，周志坡.我国煤矿综采技术应用现状与发展[J].煤炭科学技术，2012，40（10）：55-60.

【3】 梁敬国.充填支架大流量换向阀使用中的问题与优化改进.科技创业家，2012，（9）上：100.