螺纹插装阀在煤矿坑道钻机中的应用_宋海涛.pdf

第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY coal mine; underground drill rig; application 随着液压技术的进步， 螺纹插装阀作为一项新的 液压系统管路应用技术，已被广泛应用[1]。其产品分 为压力控制、方向控制和流量控制三大类，性能及规 格覆盖了液压系统中所需的所有阀种。 由于其具有紧 凑、可靠、经济的特点，螺纹插装阀技术自 20 世纪 7080 年代以来，在工程、矿山等液压设备领域中 的应用也越来越多，目前占据主导地位。 在煤矿坑道钻机行业， 国外已经普遍应用螺纹插 装阀技术，并且取得了良好的效果。国内起步较晚， 也进行了一些尝试。 本文基于目前国内煤矿坑道钻机 液压系统技术水平相对落后的现状， 研究了螺纹插装 阀技术在煤矿坑道钻机中的应用。 1 螺纹插装阀 螺纹插装阀又叫旋入式插装阀。 常见的螺纹插装 阀一般由阀套、阀芯、阀体、密封件、控制部件弹 簧座、弹簧、调节螺杆、弹垫等组成[2-3]。螺纹插装 阀一般采用锥面或球锥面密封，具有优良的密封性 能。 由于零部件大多为套类和轴类零件， 加工精度好， 因此泄漏小，液压冲击小。安装时阀套和阀芯及阀体 的螺纹部分旋入阀块内，故结构紧凑体积小重量轻， 安装方便可靠。 螺纹插装阀包括了方向控制阀、压力控制阀、流 量控制阀的所有阀种。螺纹插装方向阀有单向阀、液 控单向阀、梭阀、液动换向阀、手动换向阀、电磁滑 阀、 电磁球阀等； 螺纹插装压力阀有溢流阀、 减压阀、 顺序阀、平衡阀、压差溢流阀、负载敏感阀等；螺纹 插装流量阀有节流阀、调速阀、分流集流阀、优先阀 等。 另外， 还拥有比例控制压力阀、 比例控制流量阀、 比例控制方向阀等。螺纹插装阀有二通、三通、四通 等，通径从 332 mm，最高工作压力可达 63MPa， 最大流量可达 760 L/min[4-6]。 螺纹插装阀主要有以下特点 a. 功能齐全，应用广泛； b. 采用螺纹连接，尺寸紧凑； c. 插装孔标准化，插装元件互换性好，便于维护； d. 减少了漏油、振动、噪声和配管引起的故障， 可靠性高； e. 多个液压阀无管集成，省去了管路连接件， 缩小了安装空间与占地面积，降低了成本。 ChaoXing 第 5 期 宋海涛 螺纹插装阀在煤矿坑道钻机中的应用 105 2 螺纹插装阀在煤矿坑道钻机中的应用现状 目前绝大多数煤矿坑道钻机液压系统采用的控 制元件一直沿用传统的管式或板式结构， 如操纵台部 分所选用的手动换向阀、溢流阀、减压阀等液压元件 基本上都为板式结构。由于不同的阀外形差别较大， 各个控制阀的手轮朝向、大小等都不一样，为操纵台 的布局带来困难。节流阀一般选用管式结构，考虑到 布局及操作方便， 与其相连的元件之间须通过钢管连 接，安装较困难，装配周期长，管接头较多，容易引 起液压油泄漏；而油路集合块中集成的单向阀、液控 功能阀等一般多为自制件，虽然具有成本低、设计灵 活等优点，但也存在内部泄漏量大，可靠性不高等突 出问题[7-9]。 随着液压技术的发展和加工制造技术的提高， 新 的液压元件和精度较高的液压集成辅件也不断推向 市场， 其中具有多种优点的螺纹插装阀在工程机械领 域得到了很好的应用，并已经向其他行业发展。基于 这种情况，目前在煤矿坑道钻机产品设计中，螺纹插 装阀已逐步得到了应用， 大多用于钻机液压系统的控 制回路中， 同时在新开发的钻探相关装备中也逐步得 到了尝试。 2.1 应用于煤矿坑道钻机的稳固油缸中 煤矿坑道钻机的稳固油缸分为上下稳固油缸和 前后稳固油缸。在煤矿井下进行钻孔施工前，必须 对钻机进行稳固，具体稳固方式是首先将钻机的 下稳固油缸伸出，使钻机抬离巷道底板，再将钻机 的上稳固油缸伸出顶在巷道的顶板上；前后稳固油 缸也伸出顶紧在巷道的前后煤壁上。这种稳固方式 能够固定钻机位置， 防止钻孔倾角及方位角的改变， 减少钻杆的磨损。但是一旦井下顶、底板来压，钻 机的上下稳固油缸就会承受较大的载荷，有时甚至 能导致油缸损坏、油管爆裂，不能保证生产安全。 在钻机的各个稳固油缸进出口加一个平衡阀组 图 1，平衡阀的 B1、B2口接稳固油缸的进油、出 油口，正常工作时，平衡阀组相当于液压锁的作用， 而一旦顶、底板来压或侧帮来压，油缸内部油压超 过平衡阀设定的压力31 MPa，此时平衡阀就相当 于溢流阀，油缸内部压力油就会通过平衡阀卸荷， 起到保护油缸的作用[10-12]。 2.2 应用于煤矿坑道钻机的控制系统中 在煤矿坑道钻机的液压控制系统中， 螺纹插装阀 也有尝试应用。 中煤科工集团西安研究院有限公司生 产的 ZDY4000LR、ZDY2800S 等煤矿坑道钻机的部 分控制回路原理及阀块结构如图 2 所示。 该系统的主 要原理是泵的出口压力经过减压阀调节， 实现控制钻 机给进、起拔压力的作用[9]。 图 1 平衡阀组的结构和原理图 Fig.1 Structure and principle of balance valve 图2 ZDY4000LR及ZDY2800S钻机部分控制回路的阀块 结构及液压原理图 Fig.2 Valve structure and hydraulic principle of the control circuit of drill rigs ZDY4000LR and ZDY2800S 未使用螺纹插装阀技术之前， 钻机的该控制系统 回路选用传统的板式阀。板式阀与底板连接，尺寸、 ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 42 卷 重量都比较大，且由于结构不一，减压阀与溢流阀的 调节手轮朝向也不一致， 带来的问题是使用中手轮调 节不方便，且为钻机操纵台的护罩设计安装带来问 题。 图 3 所示为钻机控制系统使用板式阀及螺纹插装 阀的结构对比图片。 图 3 钻机控制系统板式阀和插装阀实物对照图 Fig.3 plate valve and screw cartridge valve in hydraulic control system of the drill rig 2.3 插装阀在复杂控制系统中的应用 随着煤矿井下坑道钻机技术的发展， 尤其是在钻 机的个性化、客户定制化等市场大趋势下，钻机的液 压系统也越来越复杂。 如果系统仍然采用传统的板式 阀或管式阀搭建，那么即使能实现其功能，系统的体 积也会非常庞大，管路极其复杂。在一个定制的阀块 中使用螺纹插装阀， 设计者可以创建一个集成的液压 回路， 作为一个紧凑的液压控制模块， 减少管路连接， 简化安装和维护，减少泄漏节点，其性能优于传统的 液压系统。 图 4 为 ZDY6500LF 型煤矿坑道钻机液压系统的 部分回路原理图和插装阀块结构。 在钻机液压系统设 计过程中， 将各控制与联动回路都集成到一个插装阀 板上。该集成阀块主要由节流阀、液压锁、液控单向 阀、及不同功能的二位阀等组成，用于实现钻机液压 系统的基本流量控制、压力调节及联动等功能[13]。 该设计通过将原来的由多个阀块的安装方式统一到 一个集成油路板上，有效减少了系统管路连接，并使 系统的泄漏得到有效控制和高度集成。 3 插装阀使用注意事项 a. 选用螺纹插装阀时，要考虑合适流量和压力， 还要注意其流量压力曲线， 若选型过小往往会造成 系统压力损失太大，使系统发热；若选型过大，则会 造成经济上的浪费。 b. 相对于板式阀，螺纹插装阀对油液的清洁度 要求较高，一般为 NAS8 级。因此在运行前液压系 统应该充分清洁，鉴于目前煤矿井下环境较差，井下 维修、保养时一定要注意尽量避免液压系统污染。 c. 由于煤矿井下的特殊使用要求，阀体材料应 避免选用铝合金，一般使用 35 钢即可。 d. 螺纹插装阀块的设计和加工相比板式阀块更 加复杂，一个插装阀孔至少 5 台阶，多则十几台 图 4 ZDY6500LF 钻机液压系统部分回路原理a及螺纹 插装阀阀块结构b Fig.4 Principle of control circuita and structure of the screw cartridge valve of the hydraulic system of drill rig ZDY6500LF 阶，各台阶的尺寸及形位公差要求较高，因此要经过 反复校验确保阀块设计无误， 在加工过程中选择成型 刀具加工，并将阀孔作全面有效地除毛刺处理。 e. 阀块组装完毕以后，应该通油试验，以便冲 走可能混入的污染物， 并调定或测试所需要的流量和 压力，检查所有阀的功能是否与设计相符。 参考文献 [1] 张海平. 螺纹插装阀技术[J]. 流体传动与控制，2004116–22. [2] 谢颖，胡传芳. 螺纹插装阀在矿山机械中的应用[J]. 矿山机械， 20091232–34. [3] 张海平. 液压阀的安装连接方式[J]. 流体传动与控制， 20123 51–53. [4] 乐贵菊. 螺纹插装阀在煤矿机械中的应用[J]. 液压气动与密 封，2008557–59. [5] 方鹏. 螺纹插装阀技术在煤矿钻探装备中的应用[J]. 煤矿机 械，20118198–200. [6] 朱小明. 螺纹插装阀在工程机械中的应用[J]. 工程机械， 2006536–42. [7] 田宏亮. 瓦斯抽采履带式坑道钻机的研制与应用[J]. 煤田地质 与勘探，2008，36577–80. [8] 姚克. ZDY4000LD 定向钻机关键技术研究[J]. 煤田地质与勘 探，2012，40482–85. [9] 殷新胜，姚宁平，陈跟马，等. ZDY6000L 型履带式全液压坑 道钻机液压系统设计[J]. 煤田地质与勘探， 2007， 356 77–80. [10] 张海平. 螺纹插装阀介绍之二平衡阀[J]. 流体传动与控 制，2006337–40. [11] 张海平. 螺纹插装阀介绍之二平衡阀续[J]. 流体传动与 控制，2006638–43. [12] 张海平. 螺纹插装阀介绍之一溢流阀[J]. 流体传动与控 制，2005536–41. [13] 姚亚峰. 瓦斯抽采分体式履带钻机的独立行走液压系统设 计[J]. 煤田地质与勘探，2014，423105–108 ChaoXing