淺談節(jié)流孔在鑿巖鉆機液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

李常碧

（廣西美斯達鑿巖機械設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530001）

在鑿巖鉆機的液壓回路中，需要根據(jù)工況調(diào)節(jié)和控制運動機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)及推進的速度和力，因此節(jié)流接頭和節(jié)流塞或節(jié)流閥等“固定及可調(diào)的節(jié)流孔”在鑿巖機的液壓系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)流速和壓力的元件得到廣泛的使用，如單向節(jié)流閥、固定的帶節(jié)流孔的接頭、節(jié)流塞、單向調(diào)速閥和負載敏感系統(tǒng)中的節(jié)流調(diào)速等的應(yīng)用。

為了減少溫度變化對節(jié)流孔控制流速的影響，在實際使用中的節(jié)流孔都做成薄刃型（l/d臆0.5）。此時的壓力損失以局部壓力損失為主，因而其控制特性不受溫度變化的影響。根據(jù)實際流體的伯努利方程式推導(dǎo)出流體流過閥口（節(jié)流口）的流量公式為[1]。

其中：Q 為流過節(jié)流孔的流量；Cd為流量系數(shù)；A 為節(jié)流孔截面面積；駐P 為節(jié)流孔前后壓差；籽為液體的密度。

根據(jù)公式（1），在實際工作的應(yīng)用中有以下3 種調(diào)節(jié)流量的方法：

（1）在節(jié)流孔前后兩端壓差 駐P 固定時，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流面積A 來改變流過節(jié)流閥的流量；

（2）在節(jié)流孔的節(jié)流面積A 固定時，通過改變節(jié)流孔前后兩端的壓差駐P 來改變流過節(jié)流孔的流量；

（3）通過改變節(jié)流孔的節(jié)流面積A 和節(jié)流孔前后的壓差駐P 改變流過節(jié)流孔的流量。

在以上的應(yīng)用中，流量系數(shù)Cd在0.6 ～ 0.8 之間取值，經(jīng)實驗，滑閥式節(jié)流閥的閥口的流量系數(shù)Cd=0.65；錐閥式節(jié)流閥的閥口的流量系數(shù)Cd= 0.77 耀0.80[2]。第（1）種方法比較常用（如調(diào)速閥；負載敏感系統(tǒng)）。

1 節(jié)流孔在鑿巖鉆機行走履帶的調(diào)平系統(tǒng)中的應(yīng)用

因鑿巖鉆機是在表面凹凸不平的礦山上工作，在其施工中，會碰到剝離礦山表層的施工，此時鉆機的施工面為一斜坡面，為了保證其鉆的孔豎直，其機身要通過左右兩只調(diào)平油缸調(diào)節(jié)機身和履帶的角度，為了在調(diào)節(jié)的過程中動作平穩(wěn)避免機身前后晃動造成鉆頭被孔卡住或鉆機在斜坡上翻車，因此需要流進調(diào)平油缸的液壓油的流速穩(wěn)定，在調(diào)平油缸的進油口中加裝囟1.5 mm 的薄壁節(jié)流孔，在機身重量一定（即油缸推力一定）和泵出口壓力不變的情況下（即駐P 也一定），根據(jù)公式（1）得出流經(jīng)油缸的進油口的流速一定，從而油缸以穩(wěn)定的速度運動（在出油口加裝囟1.5 mm 節(jié)流孔起回油背壓的作用，減少油缸的抖動），即可達到鉆機平穩(wěn)調(diào)平車身的目的，又能節(jié)省成本。如圖1 所示的裝置在美斯達的一體式鉆機的調(diào)平油缸中使用。

圖1 履帶調(diào)平

2 節(jié)流孔在捕塵馬達殼體沖洗中的應(yīng)用

在鑿巖鉆機的捕塵系統(tǒng)中，捕塵風(fēng)扇的工況是高轉(zhuǎn)速低扭矩，因此捕塵風(fēng)扇的驅(qū)動馬達用的是高轉(zhuǎn)速低扭矩A2F16 的柱塞馬達，該馬達排量是16 ml/r，馬達的最高轉(zhuǎn)速是4000 r/min，在實際工況下，因為密封件在高溫下會老化和損毀，要求馬達的殼體溫度不能大于90毅，為了能使馬達內(nèi)部良好的潤滑，液壓馬達的柱塞缸和柱塞需要浸泡在液壓油里，所以馬達殼體內(nèi)的液壓油要以一定的流量和油箱的低溫油進行交換和補油，以達到良好的潤滑工況和最佳的工作溫度。在實際工作中控制閥關(guān)閉后，由于慣性的原因，在切斷油源的情況下，馬達會被風(fēng)扇的慣性帶動轉(zhuǎn)動，此時馬達由做功的馬達工況轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯敵龅谋霉r，此時油口A 會通過單向閥3 向B 口吸油，由于受B 口和L2口油管長度的影響流向在A 口的油液不能滿足A 口的需求，馬達的柱塞通過配油盤間隙會向殼體吸油，此時L2口會形成負壓使柱塞的靴套和配油盤未浸泡在液壓油中，造成馬達的柱塞的回程盤和配油盤之間潤滑油膜破裂或油膜間斷形成，配油盤和柱塞靴套之間產(chǎn)生干摩擦，使馬達使用壽命減短或者直接損毀，因此在設(shè)計風(fēng)扇馬達驅(qū)動的液壓系統(tǒng)時，在柱塞馬達殼體的兩個泄漏口的最低處L1處，增加囟1.0 mm 的節(jié)流接頭，將系統(tǒng)低壓油源2 通過0.1 mm的節(jié)流孔引入泄漏口L1，將泄漏口最高出油口L2直接接回油箱（圖2）。在壓差駐P 和節(jié)流面積A 固定的情況下形成穩(wěn)定的流量對馬達殼體進行強制補油。L1口的恒流油源在馬達正常工作時，強制給馬達殼體引入低溫的油源也起到強制沖洗的作用（如阿特拉斯的D7 的鑿巖鉆機的集塵系統(tǒng)）。其作用有兩點：（1）通過用低溫的一定流量的冷卻液壓油強制沖洗殼體來降低馬達殼體的液壓油溫度，延長馬達密封件的使用壽命；（2）保證殼體中有足夠的液壓油，以滿足馬達的柱塞、配油盤等運動件間的潤滑，使馬達在泵工況時能夠正常的運轉(zhuǎn)，從而保證柱塞馬達能夠穩(wěn)定高效的工作，延長馬達的使用壽命，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

圖2 集塵馬達原理

3 調(diào)速閥在鑿巖潛孔鉆機回轉(zhuǎn)頭調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度時的應(yīng)用

鑿巖潛孔鉆機在施工中，因為巖石的硬度和鉆孔孔徑的大小的不一樣，在鉆機施工的過程中根據(jù)潛孔鉆頭的直徑和鉆機鉆臂向下的推進壓力，會對鉆機回轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速有一定的要求，根據(jù)實際工況，在硬度比較高的巖石層要求轉(zhuǎn)速在70 ～ 120 r/min（如石灰?guī)r的開采），在硬度比較軟的巖石要求轉(zhuǎn)速在120 ～ 160 r/min（如露天煤礦的開采）。當(dāng)前在常用的鑿巖潛孔鉆機的液壓系統(tǒng)回路中，為了節(jié)省成本使用液壓系統(tǒng)為定量的齒輪泵和手動多路換向閥，回轉(zhuǎn)頭使用定量的擺線馬達來驅(qū)動，會造成回轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)困難。為了解決轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的問題，在鉆機的正向回轉(zhuǎn)的油路中加裝可調(diào)節(jié)的單向調(diào)速閥。此閥是由定差減壓閥和可調(diào)節(jié)的節(jié)流閥串聯(lián)并并聯(lián)一個反方向單向閥構(gòu)成。液壓油先經(jīng)過可調(diào)節(jié)流閥，然后再通過定差減壓閥。由于定差減壓閥左右兩腔取了節(jié)流孔前后的壓力并對節(jié)流閥進行了壓力的補償，使可調(diào)節(jié)流閥前后的壓差駐P 不會隨著出口負載的改變而變，因此可以調(diào)節(jié)流閥流過的流量在可調(diào)節(jié)流閥節(jié)流面積A 不變的情況下保持不變，從而調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)流閥的節(jié)流面積A使其達到調(diào)節(jié)流經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥的流量，反之,則液壓油從并聯(lián)的反裝單向閥流走，不受可調(diào)節(jié)流閥的控制。其調(diào)速閥的具體原理和數(shù)學(xué)模型如圖3 和公式（2）所示。

帶定差減壓閥補償?shù)膯蜗蚬?jié)流調(diào)速閥的原理如圖3 所示。定差減壓閥2 和可調(diào)節(jié)流閥1 相互串聯(lián)。定差減壓閥閥芯受到右側(cè)的壓力P1在閥芯右側(cè)面積AK上產(chǎn)生的向左的力，左側(cè)的壓力P2在閥芯左側(cè)面積AK上產(chǎn)生的向右的力，還有彈簧3 對閥芯產(chǎn)生向右的力Ff，忽略液動力，減壓閥的閥芯2 處的力平衡方程為[3]：

圖3 單向調(diào)速閥

因此，可調(diào)節(jié)流閥1 兩端的壓差。其計算式為：駐P=P1-P2=Ff衣AK。因為控制閥芯的行程s臆1 mm，且彈簧3 較軟，彈簧的長度遠遠長于閥芯2 的行程S，因此彈簧力Ff隨長度的變化相對于行程S 來說可以忽略不計[3]，所以認為Ff恒定不變，駐P 保持不變，流過節(jié)流閥1 的流量Q 隨節(jié)流閥1 的節(jié)流面積的大小成正比例變化。

4 節(jié)流孔在鑿巖鉆機變量泵的液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

在高端高配的液壓鑿巖鉆機中，液壓泵選用可變量的柱塞液壓泵，比較常見的是負載敏感柱塞泵配比例多路閥，可以實現(xiàn)一泵滿足多個回路的壓力-流量的要求，變量柱塞泵可根據(jù)執(zhí)行元件的工況通過比例多路閥的反饋油路自動進行調(diào)節(jié)輸出流量，為工作機構(gòu)提供所需的流量，當(dāng)液壓系統(tǒng)未工作，處于待機狀態(tài)時，控制閥必須切斷作動油缸（或馬達）與液壓泵之間的壓力信號。這樣在系統(tǒng)未工作時會使液壓泵自動轉(zhuǎn)入低壓待命的狀態(tài)。當(dāng)控制閥工作時，先從要動作的油缸（或馬達）處得到壓力需求的信號，并將壓力信號傳遞給液壓泵，使泵開始對系統(tǒng)壓力做出響應(yīng)。系統(tǒng)所需的流量是由多路閥滑閥的開度控制。系統(tǒng)的流量需求通過信號通道、控制閥反饋給液壓泵。這種負載感應(yīng)式柱塞泵與負載敏感控制閥的組合使整個液壓系統(tǒng)具有根據(jù)負載的情況提供工作所需要的壓力-流量，此即負載敏感系統(tǒng)的基本功能[4]。減少了不必要的能量損耗，從而達到節(jié)能的效果，提高了液壓系統(tǒng)的效率，降低了液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，減小了液壓油箱和散熱器的容量，減輕了鉆機整車重量。而在普通的定量泵液壓系統(tǒng)中，采用了一個定排量的齒輪泵，提供恒定的流量，系統(tǒng)壓力是由作用于工作介質(zhì)上的載荷決定的。為限制系統(tǒng)的最高工作壓力，必須設(shè)置一個高壓溢流閥。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力達到設(shè)定值，液壓泵近乎全部流量將通過溢流閥流回油箱，因而導(dǎo)致極高的功率損失，并在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的熱損耗致使系統(tǒng)效率極低，散熱器和油箱容量相應(yīng)加大，使整車重量增大。

在市場中比較常見的有力士樂的閥后補償?shù)腖UDV 的控制系統(tǒng)（即負載獨立流量分配系統(tǒng)）和閥前補償?shù)呢撦d敏感系統(tǒng)，如丹弗斯PVG32 閥和開式柱塞變量泵組成的系統(tǒng)，閥前補償?shù)囊簤合到y(tǒng)在單獨動作時泵的流量滿足動作機構(gòu)所需的流量，動作會受相應(yīng)的多路閥控制，但是在機器需要多個動作同時動作時，當(dāng)柱塞泵的輸出流量不滿足動作機構(gòu)所需要的總流量，此時會出現(xiàn)負載高的執(zhí)行器的動作速度降低甚至停止的現(xiàn)象，因此鑿巖鉆機中比較常用負載獨立流量分配的LUDV 系統(tǒng)，LUDV 系統(tǒng)是力士樂等公司在改進負載傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是執(zhí)行機構(gòu)的最高負載壓力控制泵的流量和壓力補償閥的補償壓力，它不受其他負載大小影響的流量分配系統(tǒng)，即使泵的流量小于系統(tǒng)做復(fù)合動作所需的流量，流向各動作的流量也是按照操作閥閥口開度的大小來比例的分配，而不是流向負載較小的一側(cè)，因此各個負載機構(gòu)的動作相對速度不會發(fā)生變化，從而保證動作的協(xié)調(diào)性。其原理如下：

LUDV 每個閥塊主要由操作閥和壓力補償閥組成，其原理符號如圖4 所示。為了便于理解閥的原理，把操作閥的換向部分未畫出來，圖4 只畫出了操作閥的節(jié)流部分，壓力油進入操作閥時，先通過操作閥的節(jié)流部分，后經(jīng)過壓力補償閥，最后通過閥換向部分去液壓動作的元件。在通過梭閥選擇出動作元件的最高壓力P1= PLmax（設(shè)PL1> PL2）的信號傳遞給所有的壓力補償閥和液壓泵，由壓力補償器Pm1，Pm2給定的壓差作用在相應(yīng)節(jié)流閥前后兩端，因此加在可變節(jié)流閥A1和A2上的壓差 駐P1和 駐P2相等也等于 駐P（即駐P1= PLmax- P；駐P2= PLmax- P），所以流過節(jié)流孔A1和A2上的流量按照節(jié)流孔A1和A2的面積大小成正比分配供油，泵的流量根據(jù)PLmax的反饋來調(diào)節(jié)。此時分兩種情況：（1）泵的流量能夠滿足動作機構(gòu)需要的流量；（2）泵的流量不能滿足動作機構(gòu)所需的流量。

圖4 LUDV 系統(tǒng)原理

通過上述在LUDV 的系統(tǒng)中因為反饋的壓力是通過梭閥選擇出動作元件的最高壓力PLmax，并加在全部的壓力補償閥上，因此，加在節(jié)流孔上的所有的壓差駐P 相等，在出現(xiàn)上面所述的兩種情況時，系統(tǒng)都能根據(jù)節(jié)流閥的開口面積來正比例分流。

5 結(jié)語

通過對節(jié)流孔的流量公式的分析，結(jié)合鑿巖鉆機的實際使用工況，介紹了固定節(jié)流孔（即在調(diào)平油缸進油口加裝節(jié)流接頭的調(diào)平油路和風(fēng)扇馬達的沖洗補油回路）和可變節(jié)流孔（即在回轉(zhuǎn)頭的液壓回路中的調(diào)速閥和高配的鑿巖鉆機中的負載敏感系統(tǒng)）在鑿巖鉆機的液壓系統(tǒng)中使用的情況。調(diào)平油缸在未改前，油缸抖動、車身點頭，改變后油缸運行勻速、車身平穩(wěn)、集塵；馬達未改前的溫度90益，使用壽命0.5年或2000 小時，改變后溫度60益，使用壽命1年或5000 小時；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)未改前回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨負載變化，改變后回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)定后不變；液壓系統(tǒng)未改前定量泵系統(tǒng)一直最大流量工作，系統(tǒng)壓力溢流閥設(shè)定后就不能改變，改變后負載敏感系統(tǒng)流量隨工作機構(gòu)的動作變化，壓力隨負載大小變化。

其原理是利用流量公式，通過改變節(jié)流孔前后的壓差駐P 和節(jié)流孔的節(jié)流面積A 或其中的一項，使流入鉆機執(zhí)行機構(gòu)的液壓油的流量可以控制，達到可以調(diào)節(jié)鑿巖鉆機的動作速度使鉆機能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的工況，使鉆機能夠在不同硬度的巖層上施工，避免了不同硬度的巖層使用不同型號的鉆機，為工地節(jié)約了施工的成本，并為節(jié)流孔在其他工程機械的液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了參考。