礦用綜采面大流量本安電磁補水閥的設計

黃帥

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 前言

隨著時代的發展，互聯網、人工智能、云計算、大數據等新科技不斷和傳統行業相加，我國煤炭工業也在不斷發展，綜采工作面供液系統完成了由機械化到自動化的技術革新，正在逐步向無人化、數字化、智能化的方向發展。目前國內綜采工作面供液系統主要采用高水基乳化液作為傳動介質，供液電控系統多為本質安全型，其中使用的電磁補水閥多為進口產品，價格昂貴。國內同類型電磁補水閥防爆等級為Ⅱ類，額定電壓高，且額定工作壓力低，不能滿足使用要求。為使智能工作面供液系統穩定運行，該系統中電磁補水閥的性能尤為關鍵。

1 綜采集成供液系統技術現狀

綜采工作面集成供液系統需監控系統流量、壓力等供液參數，采用傳感器、電磁卸荷閥、電磁補水閥等元器件進行調節，從而能夠在自動化開采條件下及時為綜采工作面提供所需要的供液流量和壓力。綜采集成供液系統架構如圖1所示。在管路供液、乳化液配比子系統中需進行水質、流量、液箱液位高度等方面的監測，以穩定供液系統的運行。其中，作為綜采集成供液系統重要的補水控制元件——電磁補水閥，是集成供液系統實現自動控制的基礎，該元件的隔爆性能及可靠性對于綜采集成供液系統具有重要意義。

圖1 綜采集成供液系統架構

2 補水閥的工作原理

設計的補水閥為大流量先導式本安電磁補水閥，主要由主閥、二位二通先導球閥、本安電磁鐵和控制推桿組件組成，其液壓工作原理如圖2所示。在綜采智能集成供液系統中，電磁補水閥的進口P與出口T分別與集成供液系統的進水管、出水管相連。當系統需要供液時，本安電磁鐵通電，二位二通先導球閥處于右位，主閥彈簧腔內液體通過節流孔進入出口T，使主閥閥芯兩端產生壓力差，克服彈簧力使電磁補水閥閥芯打開，主閥進口P與出口T相通，系統開始供液；當系統無需供液時，本安電磁鐵斷電，二位二通先導球閥處于左位，主閥彈簧腔內液體無法流出，主閥閥芯兩端壓力相等，彈簧力使主閥閥芯處于關閉狀態，系統停止供液。

圖2 液壓原理

3 結構設計

考慮到目前二位二通電磁補水閥存在的一些缺點，文中所述的電磁補水閥選用的電磁鐵防爆型式為本質安全型，具有體積小、質量輕、功耗低、安裝維護方便等優點，可與本安控制系統直接配套；控制推桿組件采用杠桿原理放大電磁鐵推力，可有效解決本安型電磁鐵推力小的問題；先導部分為二位二通球閥，采用先導液控原理，使此補水閥具有大流量、高可靠的性能。電磁補水閥整體采用模塊化設計，可根據實際需要，改變主閥的壓力和流量等級，以滿足不同工況的需求，具有很強的通用性和實用性，其具體結構如圖3所示。

圖3 電磁補水閥結構圖

3.1 主閥

對于主閥部分，其結構如圖4所示，主閥閥體為長方體閥塊，主閥閥體左側面為主閥閥芯安裝孔，右側面為進液P口，下側面為出液T口。主閥閥體內部安裝彈簧Ⅰ、主閥閥芯及主閥閥座，密封圈及導向環安裝在主閥閥芯上，主要起密封和導向作用，主閥閥芯中間設有彈簧腔，彈簧Ⅰ安裝在彈簧腔內，壓蓋壓縮彈簧Ⅰ通過螺栓固定在主閥閥體左端；主閥閥芯右端安裝阻尼螺釘，阻尼螺釘中間設有阻尼孔，用于增大電磁閥P口與彈簧腔之間的壓差，當主閥閥芯錐面與主閥閥座重合時，電磁補水閥P口和T口處于斷開狀態，當主閥閥芯錐面與主閥閥座分開時，電磁補水閥P口和T口處于相通狀態。主閥閥體上側面為二位二通先導閥安裝面，并設有P1口和T1口，P1口直接與主閥彈簧腔相通，T1口通過工藝孔1、工藝孔2與T口相通。

圖4 主閥結構

3.2 二位二通先導球閥

二位二通先導球閥其結構如圖5所示，包括先導閥閥體、閥芯套、陶瓷球閥芯Ⅰ、導向座、閥桿、先導閥閥座、陶瓷球閥芯Ⅱ、彈簧座、彈簧Ⅱ、彈簧套和密封組件。先導閥閥體為凸型，閥芯套通過螺紋連接安裝在先導閥閥體內，閥芯套上設置有內孔，內孔由右向左依次安裝陶瓷球閥芯Ⅰ、導向座、先導閥閥座以及彈簧套；裝有密封圈的彈簧套通過螺紋連接安裝在閥芯套內孔最外端，彈簧Ⅱ安裝在彈簧套內，彈簧座壓縮彈簧Ⅱ安裝在閥芯套內孔內部；陶瓷球閥芯Ⅱ安放在彈簧座左側端凹槽內，并與先導閥閥座緊密密封，陶瓷球閥芯Ⅱ右側與彈簧套之間形成密封的彈簧套內腔；陶瓷球閥芯Ⅰ安放在閥芯套內孔的最內側，陶瓷球閥芯Ⅰ與陶瓷球閥芯Ⅱ之間設置閥桿，閥桿大小徑兩端裝有密封圈，與導向套之間形成密封的導向套內腔；閥芯套外圈設有多處密封槽，密封組件安裝在閥芯套外圈密封槽內，與閥芯套安裝孔內徑形成多處密封環。并且二位二通先導閥閥體下側面為安裝面，設置有P2口和T2口與主閥上側面P1口和T1口相通。

圖5 二位二通先導球閥

3.3 控制桿件

控制桿組件結構如圖6所示，包括控制桿座、轉向定位銷、控制桿、調節螺釘、防松螺母、螺堵Ⅰ、螺堵Ⅱ；控制桿通過轉向定位銷安裝在控制桿座內，控制桿上安裝有調節螺釘，可以上下調節螺釘預緊高度，防松螺母安裝在調節螺釘上，用于固定調節螺釘預緊高度，控制桿可帶動調節螺釘圍繞轉向定位銷在固定角度內旋轉。

圖6 控制推桿組件

控制推桿組件結構采用杠桿原理如圖7所示，由力矩平衡可得：

圖7 杠桿原理示意

×=×

(1)

式中：為電磁鐵的推力；為調節螺栓壓力；為動力臂(電磁鐵推桿到轉向定位銷的距離)；為阻力臂(轉向定位銷到調節螺栓的距離)。

由公式(1)可知：當>>時，為省力杠桿，以此來彌補本安電磁鐵額定電壓低、推力小的缺點。

當本安電磁鐵通電工作時，本安電磁鐵產生推力帶動控制桿圍繞轉向定位銷逆時針向上運動，通過杠桿原理，調節螺栓產生向下壓力，并克服二位二通先導球閥中彈簧Ⅱ的壓縮力，壓迫陶瓷球閥芯Ⅰ、閥桿、陶瓷球閥芯Ⅱ一起向下運動，陶瓷球閥芯Ⅱ與先導閥閥座接觸分離，液體從二位二通先導閥P1口進入，通過工藝孔3、4、5分別進入陶瓷球閥芯Ⅱ右側彈簧套內腔及左端導向套內腔，陶瓷球閥芯Ⅱ左右兩端壓力平衡，液體從陶瓷球閥芯Ⅱ右側彈簧套內腔進入先導閥閥座內腔，二位二通先導球閥P1口與T1口相通，二位二通先導閥處于打開狀態。

當本安電磁鐵斷電時，控制桿推力=0，即=0，彈簧Ⅱ提供壓縮力，使陶瓷球閥芯Ⅱ與先導閥閥座處于密封狀態，液體無法從陶瓷球閥芯Ⅱ右側彈簧套內腔進入先導閥閥座內腔，二位二通先導閥P1口與T1口斷開，二位二通先導球閥處于關閉狀態。

4 主要參數設計

根據節流孔流量壓力公式(2)，代入預定的額定流量、開啟壓力，可以得出通流面積，以此來計算得出接口孔徑。

(2)

式中：為額定流量；為流量系數；為通流面積；為液體密度；Δ為閥開口兩端壓差。

選擇與系統相匹配的接口尺寸，可以得出如表1所示的參數。

表1 主要參數

5 結語

此先導式本安補水閥采用電磁鐵為本質安全型，電磁鐵體積小、質量輕、功耗低、安裝維護方便，可與本安控制系統直接配套。經過小批量試制之后，實物如圖8所示。在液壓試驗臺上進行了型式實驗，并在神東煤炭集團大柳塔煤礦進行了煤礦井下工業實驗，可以完全滿足功能要求，對綜采高壓大流量智能集成供液系統的智能化的實現有重要意義。

圖8 本安電磁補水閥實物