淺談節流孔在鑿巖鉆機液壓系統中的應用

李常碧

（廣西美斯達鑿巖機械設備有限公司，廣西 南寧 530001）

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

為了減少溫度變化對節流孔控制流速的影響，在實際使用中的節流孔都做成薄刃型（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。根據實際流體的伯努利方程式推導出流體流過閥口（節流口）的流量公式為[1]。

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

根據公式（1），在實際工作的應用中有以下3 種調節流量的方法：

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

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

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

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

1 節流孔在鑿巖鉆機行走履帶的調平系統中的應用

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平油缸調節機身和履帶的角度，為了在調節的過程中動作平穩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，因此需要流進調平油缸的液壓油的流速穩定，在調平油缸的進油口中加裝囟1.5 mm 的薄壁節流孔，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），根據公式（1）得出流經油缸的進油口的流速一定，從而油缸以穩定的速度運動（在出油口加裝囟1.5 mm 節流孔起回油背壓的作用，減少油缸的抖動），即可達到鉆機平穩調平車身的目的，又能節省成本。如圖1 所示的裝置在美斯達的一體式鉆機的調平油缸中使用。

圖1 履帶調平

2 節流孔在捕塵馬達殼體沖洗中的應用

在鑿巖鉆機的捕塵系統中，捕塵風扇的工況是高轉速低扭矩，因此捕塵風扇的驅動馬達用的是高轉速低扭矩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閉后，由于慣性的原因，在切斷油源的情況下，馬達會被風扇的慣性帶動轉動，此時馬達由做功的馬達工況轉變為能量輸出的泵工況，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生干摩擦，使馬達使用壽命減短或者直接損毀，因此在設計風扇馬達驅動的液壓系統時，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 的節流接頭，將系統低壓油源2 通過0.1 mm的節流孔引入泄漏口L1，將泄漏口最高出油口L2直接接回油箱（圖2）。在壓差駐P 和節流面積A 固定的情況下形成穩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）。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，從而保證柱塞馬達能夠穩定高效的工作，延長馬達的使用壽命，使系統更加穩定可靠。

圖2 集塵馬達原理

3 調速閥在鑿巖潛孔鉆機回轉頭調節回轉速度時的應用

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，會對鉆機回轉頭的轉速有一定的要求，根據實際工況，在硬度比較高的巖石層要求轉速在70 ～ 120 r/min（如石灰巖的開采），在硬度比較軟的巖石要求轉速在120 ～ 160 r/min（如露天煤礦的開采）。當前在常用的鑿巖潛孔鉆機的液壓系統回路中，為了節省成本使用液壓系統為定量的齒輪泵和手動多路換向閥，回轉頭使用定量的擺線馬達來驅動，會造成回轉頭的回轉速度調節困難。為了解決轉速可調節的問題，在鉆機的正向回轉的油路中加裝可調節的單向調速閥。此閥是由定差減壓閥和可調節的節流閥串聯并并聯一個反方向單向閥構成。液壓油先經過可調節流閥，然后再通過定差減壓閥。由于定差減壓閥左右兩腔取了節流孔前后的壓力并對節流閥進行了壓力的補償，使可調節流閥前后的壓差駐P 不會隨著出口負載的改變而變，因此可以調節流閥流過的流量在可調節流閥節流面積A 不變的情況下保持不變，從而調節可調節流閥的節流面積A使其達到調節流經可調節流閥的流量，反之,則液壓油從并聯的反裝單向閥流走，不受可調節流閥的控制。其調速閥的具體原理和數學模型如圖3 和公式（2）所示。

帶定差減壓閥補償的單向節流調速閥的原理如圖3 所示。定差減壓閥2 和可調節流閥1 相互串聯。定差減壓閥閥芯受到右側的壓力P1在閥芯右側面積AK上產生的向左的力，左側的壓力P2在閥芯左側面積AK上產生的向右的力，還有彈簧3 對閥芯產生向右的力Ff，忽略液動力，減壓閥的閥芯2 處的力平衡方程為[3]：

圖3 單向調速閥

因此，可調節流閥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，流過節流閥1 的流量Q 隨節流閥1 的節流面積的大小成正比例變化。

4 節流孔在鑿巖鉆機變量泵的液壓系統中的應用

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，可以實現一泵滿足多個回路的壓力-流量的要求，變量柱塞泵可根據執行元件的工況通過比例多路閥的反饋油路自動進行調節輸出流量，為工作機構提供所需的流量，當液壓系統未工作，處于待機狀態時，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。這樣在系統未工作時會使液壓泵自動轉入低壓待命的狀態。當控制閥工作時，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，使泵開始對系統壓力做出響應。系統所需的流量是由多路閥滑閥的開度控制。系統的流量需求通過信號通道、控制閥反饋給液壓泵。這種負載感應式柱塞泵與負載敏感控制閥的組合使整個液壓系統具有根據負載的情況提供工作所需要的壓力-流量，此即負載敏感系統的基本功能[4]。減少了不必要的能量損耗，從而達到節能的效果，提高了液壓系統的效率，降低了液壓系統的發熱，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中，采用了一個定排量的齒輪泵，提供恒定的流量，系統壓力是由作用于工作介質上的載荷決定的。為限制系統的最高工作壓力，必須設置一個高壓溢流閥。當系統工作壓力達到設定值，液壓泵近乎全部流量將通過溢流閥流回油箱，因而導致極高的功率損失，并在系統中產生大量的熱損耗致使系統效率極低，散熱器和油箱容量相應加大，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的LUDV 的控制系統（即負載獨立流量分配系統）和閥前補償的負載敏感系統，如丹弗斯PVG32 閥和開式柱塞變量泵組成的系統，閥前補償的液壓系統在單獨動作時泵的流量滿足動作機構所需的流量，動作會受相應的多路閥控制，但是在機器需要多個動作同時動作時，當柱塞泵的輸出流量不滿足動作機構所需要的總流量，此時會出現負載高的執行器的動作速度降低甚至停止的現象，因此鑿巖鉆機中比較常用負載獨立流量分配的LUDV 系統，LUDV 系統是力士樂等公司在改進負載傳感技術的基礎上發展起來的，它是執行機構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，即使泵的流量小于系統做復合動作所需的流量，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，因此各個負載機構的動作相對速度不會發生變化，從而保證動作的協調性。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流部分，壓力油進入操作閥時，先通過操作閥的節流部分，后經過壓力補償閥，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節流閥前后兩端，因此加在可變節流閥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），所以流過節流孔A1和A2上的流量按照節流孔A1和A2的面積大小成正比分配供油，泵的流量根據PLmax的反饋來調節。此時分兩種情況：（1）泵的流量能夠滿足動作機構需要的流量；（2）泵的流量不能滿足動作機構所需的流量。

圖4 LUDV 系統原理

通過上述在LUDV 的系統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，加在節流孔上的所有的壓差駐P 相等，在出現上面所述的兩種情況時，系統都能根據節流閥的開口面積來正比例分流。

5 結語

通過對節流孔的流量公式的分析，結合鑿巖鉆機的實際使用工況，介紹了固定節流孔（即在調平油缸進油口加裝節流接頭的調平油路和風扇馬達的沖洗補油回路）和可變節流孔（即在回轉頭的液壓回路中的調速閥和高配的鑿巖鉆機中的負載敏感系統）在鑿巖鉆機的液壓系統中使用的情況。調平油缸在未改前，油缸抖動、車身點頭，改變后油缸運行勻速、車身平穩、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；回轉系統未改前回轉轉速隨負載變化，改變后回轉轉速調定后不變；液壓系統未改前定量泵系統一直最大流量工作，系統壓力溢流閥設定后就不能改變，改變后負載敏感系統流量隨工作機構的動作變化，壓力隨負載大小變化。

其原理是利用流量公式，通過改變節流孔前后的壓差駐P 和節流孔的節流面積A 或其中的一項，使流入鉆機執行機構的液壓油的流量可以控制，達到可以調節鑿巖鉆機的動作速度使鉆機能夠適應比較復雜的工況，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，為工地節約了施工的成本，并為節流孔在其他工程機械的液壓系統中的應用提供了參考。