液压差动回路的设计缺陷.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 4期 液压差动回路的设计缺陷 杨殿 宝 海门市油威力液压工业有限公司责任公司， 江苏 南通2 2 6 1 0 0 摘要 差动回路是 一种节能 回路 ， 但在实际应用中往往不能满足工况要求 ， 本 文从设计角度阐述液压差动 回路的设计缺陷 。 关键 词 液压设计 ； 液压差动回路 ； 液控单 向阀； 平衡 阀； 速度 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 3 6 0 3 De s i g n De f e c t s i n t he Hy d r a u l i c Di ffe r e n t i a l Ci r c u i t Y A NG Di a n b a o H a i m e n Y o u w e i l i H y d u s t y C o ． ， L t d ． ， N a n t o n g 2 2 6 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e d i ff e r e n t i a l c i r c i s a mo v e f o r l o o p ， b u t i n a c t u a l u s a g e c a n n o t s a t i s f y t h e c o n d i t i o n s r e q u i r e d ， F r o m t h e a n g l e i n t h e d e s i g n o n t h e h y d r a u l i c c i r c u i t d e s i g n fl a w． Ke y wo r h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n ；d i ff e r e n t i a l c i r c ； p i l o t o p e r a t e d c h e c k v a l v e ； b a l a n c e d v a l v e； p a c e 0 引言 液压差动回路在液压系统设计 中是提高液压缸速 度的首选 ，但在实际应用 中经常会因为忽视某些负载 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 1 7 作者简介 杨殿宝 1 9 7 5 一 ， 男 ， 江苏 高邮人 ， 工程师 ， 大专， 主要从 事液压 系统设计与液压故障分析诊断。 一 * “ 一- 十一 - 一 - - - - 十一一 一 } 一 一 管子内径， 单位为 m m； 卜许用应力 ， 单位为 MP a ， 对于钢管[ 卅 ； 厂_抗拉强度 ， 单位为 MP a ； 安全 系数 。 当p 7 MP a时 ， 取 r t 8 ； 当 p 1 7 ． 5 MP a时， 取 凡 4 。 本系统选用的是材料为 1 C r l 8 N i 9 T i 的冷拔不锈钢 无缝钢管 ， c r b 5 5 0 N ／ ram 2 , ／Z 取 4 。 泵排油管路 工 作压力最 大为 2 5 MP a ，内径 为 1 8 mm ， 6≥ 2 5 x 1 8 1 ．6 3 6 m m, 实际取值为 2 m m。 ⋯4 辅助供油管路 工作压力最大为 3 1 MP a ， 内径为 8 ra m． 6 ≥ 器 3 1 x 8 0 ．9 ⋯实 际 取 值 为 2 ⋯ 5 冷却器的选用 液压 系统发热的主要原因是液压泵和执行器的功 率损失以及溢流阀的溢流损失造成的，估算为泵组驱 动功率的 1 5 ％～ 3 0 ％。系统所产生的热量 ， 主要通过油 箱的各散热面散发至空气中。本系统的油箱散热量通 的特性， 或在构成系统时疏忽元件的特性选型 ， 造成液 压差动回路的设计缺陷， 本文就这方面聊作阐述。 l 设计缺陷 1 差动回路使用时负载特性考虑不足 为了描述方便通俗 ，本文把能实现差动回路的液 压换向阀统称为差动阀。差动回路 主要有两种 一种是 t 一。 ’ 一 ’ 一。’ 一。’ 一。 十一。 ’一-t 一。十 一- 。 t 一。十 一-十。 ’ 一。 十一-t一 *十一十-十- 十一 十一- 一-十一十一 过计算 ， 认 为不能满足要求 ， 必须选用冷却器。根据冷 却器产品选型样本的估算法 ，选择冷却面积为 l m 的 列管式油冷却器。 3 结论 该试验台已在我公司应用 ， 实践证明 ， 该设备布局 合理得 当， 操作便捷 ， 维护方便 ， 试验结果准确 、 可靠 ， 可满足作动筒性能检验的要求 ， 大大提高了生产效率。 此项设计 的成功应用 ，对于公司其他相似设备 的设计 具有借鉴和示范意义。 参 考 文 献 【 1 ] 雷天觉． 新编液压工程手册【 M1 ． 北 京 北京理 工大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】 成大先． 机械设计手册【 M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 】 黎启柏． 液压元件手册【 M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 4 ]4 乔学新． 关于液压元 件试验台 的设计 理念和设计 思路『 J ] ， 液 压与气动 ， 2 0 0 9 ， 1 2 ． I 5 ] 曾亿 山． 液压缸综 合性能 检测试验 台液压 系统 的研究 开发 [ J ] ， 煤矿机械， 2 0 0 8 ， 8 ． [ 6 】 张立娟． 液压 系统油液温升计算及冷却器选型f J 】 ． 重工与起重 技术 ， 2 0 0 7 ， 4 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 4 ． 2 0 1 2 利用差动阀构成 ， 另一种是增加电磁 阀控制 ， 利用通断 实现差动回路。根据差动 回路的构成条件 ， 可以得出结 论 如 果 液压 缸 的无 杆 腔 和有 杆 腔 面积 差越 大 ， 液 压 缸 的增速作用就越小 ， 液压缸的输出力就越大； 如果面积 差越小 ， 液压缸 的增速作用就越大 ， 液压缸 的输出力就 越小。由于知识面的问题或对差动知识 的一知半解 ， 往 往使我们过于关注增速作用而忽视 了由于输出力减少 带来的副作用。由于这种不小心带来的后果就是液压 缸驱动力下降了 下降倍数为无杆腔对有杆腔 的比值 ， 潘家鹤等对该 问题进行 了较为详 细的阐述【 】 1 ， 可能导 致试机时较大危险 ， 系统更不可能正常投入使用 。这种 案例较多 ， 笔者此文不作赘述 。 一 般情况下 ， 对于系统输 出力值要求较 高的， 差动 回路都是通过增加元件通过 回路实现空载差动 ，当液 压缸运行到末端时，取消差动功能 实现主换向阀功 能 ， 也就在最大程度上利用了有效功。 2 与差动阀制约的液压元件 图 l a是某公司 自行设计的差动回路 图 选用 了叠 加式单 向节流 阀、 叠加式液控单 向阀和差动 阀 ， 在现 场调试时发现 液压缸 只能上升 ， 不能下 降 ； 调节节流 阀或调整系统压力现象相同。 图 1差 动 l 旦 l 路 原理 图 笔者适逢其会 。 参与 了这个问题的剖析 回路本身 并没有问题 ． 关键是选用 了叠加式液控单向阀 结构 图 见图 2 ，根据其原理单向阀 2的锥 阀芯是有装在阀体 1内部的推杆 3打开的 ， 而推动 3的力源于其左右两腔 力 的比较 ． 当左边的力小于右边 ． 才可能推动 3进 而打 开单 向阀 ， 但叠加式液控单 向阀 A ／ B腔 由于左工位 A、 B互通 ， 实现了两腔压力相等 ． 这样就达不到推杆 3的 运动条件 ． 所以液压缸不能下 降是很正常的。 对于这种事故笔者提供 了 3种解决方案 ①是变 更叠加式安装液控单 向阀为外控外泄 的板式安装液控 单 向阀 ， 这种方法可靠 ， 不改变原来设计 主要思路 ， 但 这样一来 ．就必须更换油路块甚至具体的回路都有变 化；②是在设备允许的情况下增加系统供油量及系统 压力 ． 以一定的能量损耗实现 回路功能 ； ③是变更叠加 式液控单 向阀为叠加式平衡阀 见 图 l b ， 这个方案 的 优势在于没有改 变原来设备的外形 、 连接 、 功能 ， 甚至 在节能方面更优于其他方案 ，唯一的缺陷就是这种 阀 国内供应商较少 ， 且供货周期较长 。事实上 ， 用户是先 更换了一个常规 的“ Y” 型换向阀过渡 ． 最终选择了 S U N 公司叠加式抗衡 阀 平衡 阀 的方案。面前已经过近半 年的运行 ， 状态 良好。 1 I A B ． WHR O1 3 1 “1 0 1 一 阀 体2 一 单 向 阀3 一 推 杆 图 2 叠加式液控单向阀结构图 3 差动阀选型时通流量较小 、 管道规格较小 不少设计员还有这样的理念 换 向阀的规 格、 管道 的规格可以根据油泵输出量来确定。实际上 ， 系统 中不 同工况下管道中通过的流量差别是很大的。就 回路而 言 ． 差动回路 、 蓄能器回路 、 充液阀回路 、 双泵回路本身 的流量输出差异就很明显 。就差动阀而言 参见维拓斯 公 司 1 0通径换 向阀压力流量曲线图 3 ． A ／ B腔流量一 压力 曲线根据不 同的阀芯类型 0 、 1 、 2 、 3 、 6 、 7 、 8 都集 中在曲线 A、 B及 A B之间， 而差动阀芯 9 系列压力曲 线集 中在 C、 D和 C D之间 ， 也就是说 ， 同样 规格的阀 ， 在 同样的压降条件下 ， 通过差动阀的流量明显小 ， 如果 差动 阀通过的流量 已经饱和或接近饱和的话 ．那差动 回路 中补充流量 有杆腔液体 就不可能全额利用 ， 只 能溢流。换 向阀的规格限制了进入液压缸的流量 ， 就必 然影响到执行元件的动作要求。 | ／ ．| 7 r ， ／ ／ ／ ／ ／／ 。 ／ ， ／ I ／／ ／ L ／／ ／ U 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 l 2 0 流 h ／ L rai n ． 图 3 压力一 流量 曲线 同样 的道理 ，管道规格应根据实际通过的最大流 量来计算 ， 这种流量来源除了回路中可能形成 ， 还有负 载形成。比如中频炉系统 、 步进炉系统升降液压缸下降 3 7 8 5 2 9 6 3 导 R蹦 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 4期 时由于受到负载的作用 ，实际流量超过液压泵输出的 2 ～ 3 倍 ， 甚至更多。 4 压力低 、 速比小时不宜采用[ 3 】 差动工况下， 流经各液阻的流量发生变化 ， 阻力效 应也随之发生较大的变化 ， 而无杆腔的液阻最为敏感 ． 压降损失较非差动工况下几倍到几十倍不等 。由于液 阻上 的压损与流量的平方成正 比， 故差动工况下 ， 液阻 的压损减小 只能通过减小流经液阻上的流量来实现 。 因此 ， 对于低压差动系统而言 ， 减少流量实际上就是溢 流阀在溢流 。不少低压差动系统执行元件运动速度达 不到原来设计要求 ， 多是 由于这种 因素 也有可能是机 械摩擦较大 、 液压缸启动压力较大 、 装配不 良等原 因， 本文只讨论液压方面的设计因素 。所以对于低压系统 不建议选择使用差动回路 ． 特别是液压缸速 比较小时。 实在要使用时， 也必须考量到这种因素的影响。 5 考虑高速运动对液压缸密封件 的损伤 差动 回路设计应用时因考虑执行元件运动速度带 来的密封时效变化。国外相关 资料表明 柔性材料 比 如橡胶 与刚性材料表面相对运动时， 密封接触区在杆 件轴向方向上 的压力 、 剪切应力 、 油膜厚度的分布规律 与杆件的运动速度有关[ 2 1 。因此在应用差动 回路 ． 特别 是速度较高时 ，应充分考虑液压缸密封材料和密封方 式， 同时辅 以启动与停止的缓冲 ， 以保证和维持系统的 可靠性。选用优质密封件 、 合适的缓冲机构 ， 并有必要 利用 电控 的优势实现速度曲线的在线优化。特别是在 启动和停止时， 这种损伤尤为明显。 6 差动回路使用中应考虑速度对密封的影响 图 4是某型密炼机上顶栓部分回路图 ，为提高工 作效率和节能， 该差动回路充分发挥 了比例伺服阀 、 单 向节流阀及相关检测与控制技术 ，实现 了静止与运动 的理想缓 冲的过渡 ， 实现 了节能高效 ， 提高了设备工作 效率 ， 同时设备本身使用寿命也不受到影响。 图4某型密炼机上顶栓部分 回路图[3 1 2 结束语 差动 回路是一种节能型回路 ，但这也是建立在熟 练掌握技巧和原理基础上的运用 ，只要我们设计者从 源头上减少失误 ．就可 以最大程度上发挥这种 回路 的 优势 ， 以达到我们的设计 目的。 参考文献 [ 1 】 潘家鹤． 一种低压差动回路 的故障分析【 J J ． 液压气动与密封 ， 1 9 9 6， 4 ． 【 2 】 张付英． 液压往复密封理论技术与应用 的进展研究[ J 1 ． 润滑与 密封 ， 2 0 0 7 ， 3 ． 【 3 】 杨殿宝． 单向阀应用初步【 J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 l ， 1 ．