液压系统限速与锁紧回路分析.pdf

2 0 1 0年 3月 第 3 8卷 第 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S Ma r ． 2 01 0 Vo l _ 3 8 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 6 液压系统限速与锁紧回路分析 葛玉柱，胡军科 中南大学机 电工程 学院，湖 南长沙 4 1 0 0 7 5 摘要系统地介绍常见液压限速与锁紧回路 ，在此基础上，对一些回路存在的问题和不足进行了详细分析，并针对各 个回路的不足给出了改进措施；最后给出了应用限速锁紧回路时应注意的问题。 关键词限速锁紧回路 ；平衡阀；单向节流；液压锁 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 l 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 0 6 0 4 93 Ana l y s i s o n S pe e d- c o n t r o l a n d Lo c k e d Ci r c ui t s o f Hy d r a ul i c S y s t e m G E Yu z h u，HU J u n k e C o l l e g e o f Me c h a n i c M a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 0 7 5 ，C h i n a Ab s t r a c t S o me c o mmo n h y d r a u l i c s p e e d c o n t r o l a n d l o c k e d c i r c u i t s we r e i n t r o d u c e d ． T h e p r o b l e ms a n d s h o r t c o mi n g s o f s o me c i r c u i t s we r e a n a l y z e d， a n d c o r r e s p o n d i n g i mp r o v e me n t me a s u r e s w e r e g i v e n ． T h e n o t i c e s i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s e s p e e d c o n t r o l a n d l o c k e d c i r c u i t s we r e g i v e n ． Ke y wo r d s S p e e d - c o n t r o l a n d l o c k e d c i r c u i t s ；B a l a n c e v Mv e ；On e w a y t h r o t t l e ；Hy d r a u l i c l o c k 工程机械变幅机构在工作装置作业时，其液压缸 和马达 常处于闭锁状态 ，承受 负载较大 ，要求不能无 控制自动缩回。变幅机构液压缸因载荷重力或自重作 用，会出现自行下落或下落时重力超速失控现象。为 防止该种情况发生造成安 全事故 ，必须在液压 系统 中 设置限速措施 ，以调整工作部件的下落速度 ，并设置 保证下降装置在任意位置上能被锁定的锁紧液压回 路 。 1 靠换 向阀节流的限速锁 紧回路 如图 1 ，这 种方 法是 利用 换 向阀处于小 开度时 ，液压油 通过阀 口产生足够 的节 流压力 来满足工作要求 ，使重物匀速 下降，防止超速现象发生；当 换向 阀 处 于 中位 时 ，将 其 锁 紧。该方法简单 ，无需附加 其 他措施 ，但对 司机要求很高， 图 1 靠换向阀节流的 限速锁紧回路 稍有疏忽则会造成事 故，而且因阀存在 泄漏 ，中位无 长期锁紧作用。仅仅适用于小型或对锁紧和下降速度 稳定性要求不严格的场合。 2 采用单向节流阀的限速锁紧回路 图 2 所示为该回路原理。上升时，换向阀左位工 作 ，压力油经换 向阀左位 ，通过单 向阀流入液压缸无 杆腔，推动机构工作。换 向阀右位工作时，压力油进 入有杆腔，因重力向下作用，使机构有超速下降趋 势 ，但 由于此 时无 杆 腔 回油 只能经 节 流 阀 回油箱 ，产 生 节流压力 以平衡 重力作用。 只要 回油路能产生足够的背 压 ，就 能 防止 重力 超速 现 象 的发 生。 这种 限速方 法较 简单， 但下降速度随载荷大小变化， 载荷 大 ，则 下 降 速度 快 ，反 之，则下降速度慢 ，因此下 降速 度不 够稳 定 。而且 静 止 作业时，因换 向阀渗漏，不 图2 采用单向节流阀 的限速锁紧回路 能保证长时间锁紧定位。仅仅适用于锁紧和限速要求 不严的场合。 为解决 上述 回路无长期锁紧作用的问题 ，应在锁 紧回路上安装液控单向阀，如图 3 a 。液控单向阀 采用锥 阀 ，以保证闭锁情况不渗漏 ，从而维持长时间 锁紧定位作用。必须值得注意的是，用于限速的单向 节流 阀应该装在液控单向阀之前 。下面通过计算来说 明限速措施装在锁紧装置之前 的必要性 。 图 3 b 所示 情况 ，单 向节 流 阀装 于液控单 向 阀 之后。当操纵换向阀处于右位，而液控单向阀还未被 打开，此时，压力油进入液控单向阀外控 口打开阀芯 需要克服的阻力为单向节流阀进出口压差 △ p与液压 缸无杆腔压力 P ， 之和 ，即 收稿日期 2 0 0 9 0 3 0 9 作者简介葛玉柱 1 9 8 5 ～ ，男，硕士研究生，主要从事液压传动和车辆工程方面的研究。电话 0 7 3 1 2 6 5 5 2 3 5 。Em a i l l o g g y z 1 2 6 ． c o m。 5 0 机床与液压 第3 8卷 I a 单 向节流 阀装 在液 控单 向 阀前 b 单 向节 流 阀装在 i 硬控 单 向阀后 图 3 采 用液控单 向阀锁紧 回路 P ， la p JP 2 图 3 a 所示 情况 ，单 向节 流 阀装 于液控单 向 阀 之前。压力油进入液控单向阀外控 口打开阀芯需要 克 服的阻力为液压缸无杆腔压力 P ，即 Py 2 P 2 可见 ，若限速措施装在锁 紧装置之后 ，则打开液 控单 向阀还需要克服 因单 向节流 阀而造 成 的压 力差 。 因此 ，在设计和布置限速锁紧回路时，为减小液控单 向阀的开启压力，使其顺利打开，应将单向节流阀放 在液控单 向阀之前。 3 采用平衡阀的限速锁紧回路 使用单向节流阀的回路重物下降速度受载荷大小 的影响，而使用平衡阀的液压回路可以克服该弊病， 限速稳定。这里主要介绍采用普通平衡阀 单 向阀 与外控顺序阀组合而成 和力士乐公司 F D平衡 阀的 限速锁紧回路 。 a 无 单 向节 流 b 有 单 向节 流 图4 采用普通平衡阀的限速锁紧回路 如图4 a 所示，是一些教材和资料中经常引用 的无单向节流的平衡回路，该 回路中，重物下降时， 由于液压缸回油腔建立不起压力 ，重物在重力作用下 加速下滑，当上腔油液补充不足，外控油液压力就会 低于平衡 阀的打开压力 ，甚 至出现负压 ，导致平衡 阀 关闭，重物停止下降，直到上腔压力达到平衡阀开启 压力，将平衡阀打开，重物又开始下降，如此反复， 就会出现常说的 “ 点头”现象，存在严重的冲击、 噪声和安全隐患。这在任何系统中是坚决不允许的。 为解决该问题，须在平衡 阀后加装一单向节流 阀，如图4 b 所示，当重物下降时，在液压缸回油 腔建立起 一定压力 ，从而保证平衡 阀处于正常开启状 态，重物匀速下降。值得注意的是，普通平衡阀应采 用锥阀式密封，使其具备长期锁紧定位作用，若非锥 阀式密封 ，则还需在系统中加一液控单 向阀。 图 5所示是采用力士乐 公 司 F D平衡 阀 的 回路 。该 平衡阀采用液控单向节流设 计 ，从而实现了液控单 向阀 和单向节流阀的控制功能。 图 6是 F D平衡 阀的 的结构 原理及机能符号。负载举升 时 ，控 制 油 口 x 不 工 作 ， 此时平衡阀实现单向阀的功 能 ，压 力 油 从 A 口流 入 ， 打开主阀芯 2 ，与 B口建立 起连接 ，从 而控制负载 ；当 压力下降低于负载压力时， 主阀芯 2立 即反 向关 闭。负 载下降时，其 控制 油 口 x 图 5 采用 F D平衡 阀 的限速锁紧回路 通人压力油 ，由于控制活塞 4的节流 口6的作用 ，控 制活塞 4缓慢移动，在其作用下，推动先导阀芯 3脱 离锥阀座并使阀腔 8 经油孔和 A口与回油无压连接， 同时 B口作用在 8 腔 的负载压力随着先导 阀芯 3在主 阀芯 2中的纵向移动而卸压 ，然后控制 活塞 4推动主 阀芯 2开启 ，油液从 B口流 向 A 口。 4 7 8 l a l结 构 原理 b l 机 能 符号 I 一 阀体 2 -- 主 阀 芯 3 - -先 导体4 -- 控制 阁 芯 5 _ _ 阻尼 阀芯6 - -阻尼孔 7 一 负载 侧8 _ ． 阀 芯腔 活塞 腔 图6 F D平衡阀结构原理及机能符号 F D平衡 阀 还具 有 防 管 道 破裂 功 能 。出 于安 全 原因，换向阀应采用 M型中位机能，如图 5所示。 当换向阀右位工作时压力油经平衡阀右位进入液压 缸提升负载，如若泵到平衡阀间的管道破裂 ，则该 段压力下降，负载压力使平衡 阀立即反向关闭，保 第 6期 葛玉柱 等液压系统限速与锁紧回路分析 5 l 持重物位置 ，防 止 安全 事 故 。换 向阀 左位 工 作 时 ， 压力油～方 面进入 油缸 ，同时 作用 于平 衡 阀 ，推 动 其左位 工 作 ，回油 经 节 流 口和 换 向 阀左 位 进 入 油 箱 ，此时 ，平衡 阀控 制压力 、开启 压 力和 压差 之 间 的关系通 过 B到 A 的连 通 确 定 了流 入 液压 缸 的流 量，这样 ，消除了液压缸不可控制的失速，若平衡 阀与换 向 阀间 管 道 破 裂 ，也 不 会 影 响 到 重 物 的下 放 ，起到安全保护作用。 4 采用比例换向阀和液压锁的限速锁紧回路 如 图 7所 示 ，是采 用 比例换向阀加液压锁的限 速锁紧回路，该回路是根 据比例阀特性，利用比例 阀开 口大小来 控制 流人或 流出液压 缸 的流 量 ，从而 控制重物的下降或上升速 度。液压缸 的锁 紧 由液压 锁控制实现。有些资料 中 往往在比例阀后还设置单 向 节 流 阀 ，没 有 这 个 必 要 ，因为 比例 阀就 已经 能 图7 采用比例换向阀和液 压锁的限速锁紧回路 够起到调节流量的作用 ，而且效果比节流阀更好 ，单 向阀的作用完全可以由液压锁代替，锁紧效果也更 好 。 5 需注意的几点问题 1 存在负性负载时，所有平衡阀、液压锁或 单向阀最好能集成于液压油缸之上，若条件不允许， 则布置得离液压缸越近越好。这主要是为了防止油缸 压力过高时这些阀与液压缸之间的油管爆裂，造成安 全事故 。 2 应用限速锁紧回路的某些重要场合，为使 工作安全可靠，控制液压锁的开启应该用稳定的外控 油路 ，以保证进油路和回油路同时打开。 3 若液压缸面积 比大，则无杆腔回油时流量 会很大，此时，为避免加大其他 阀的通径，降低成 本，可以考虑用旁通油路 在无杆腔侧加一液控单 向阀接人 回油路 。 参考文献 【 1 】章宏甲， 黄谊． 液压传动 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 【 2 】马永辉， 徐宝 富， 刘 绍华． 工程机械液压系设计计算 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 5 ． 【 3 】姚平喜 ， 张晓俊． 液压平衡 回路辨析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 1 7 4 7 6 ． 【 4 J 李兴奎， 吴志勇， 林奕辰 ， 等． 液压平衡回路应用探讨 [ J ] ． 预应力技术， 2 0 0 6 5 2 3 2 5 ， 3 1 ． 【 5 】张亚琴， 张祝新． 对液压系统设计中平衡 回路问题研究 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 6 2 8 4 8 5 ． 【 6 1 R e x r o t h 公司． 行走机械用液压及电子控制元件 上接第 1 7页 m i X 0 一 l 由式 1 1 一 1 4 得各约束为 g l X l 0 g 2 。 0一 I 0 h 。 一 2 x 。 1 2 9 8 3 ． 9 0 8 一 2 2 “ 7 4 0 ． 6 6 7 x l 1 4 6 1 7 4 1 ． 8 7 6 0 5 6 2 5 x 7 2 3 1 3 6 ． 0 6 1 x J2 3 2 4 1 1 5 ． 0 0 30 h 2 a rc s in 卜 4 0 0 _ 0 采用外点罚 函数 法 ，取 收敛精 度 0 ． 0 0 1 ，计 算后输出最优解及其最优值为 1 9 ． 6 9 4 3 O 1 7 ． 8 5 5 f 1 ． 8 3 9 即向下 的位 移 量 1 9 ． 6 9 4 m m，偏 距 e 1 7 ． 8 5 5 mm。 由式 7 得导杆摆角 O L x 5 8 ． 8 。 由式 3 得最大行程速 比系数 K 1 8 0O m a x 1 ． 9 7 由式 1 得导杆尺寸 l c o3 0 5． 31 1 mm 则刨头至摆杆支点的距离 s z 曲 c 0 s } e 2 6 7 ． 8 3 0 m m 5 结论 机械刨床是应用很广的一种设备 ，传统的设计方 法不仅不能挖掘机构的设计潜力 ，甚至还有可能使设 计无解 。作者通过 理论推导和实例验证 得出结论 采 用最优化技术设计机床不仅使切削区域 日内机构的 最大压力角最小 ，结构 紧凑 ，有小的滑距 S 和小 的推 杆长度 z ∞，最重要的是机械刨床工作效率最高。 参考文献 【 1 】 孙桓． 机械原 理 [ M] ． 7版． 北京 高等教育 出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】王凤 兰， 沙玉章． 双向刨削牛头刨床的机构创新设计 [ J ] ． 机械设计， 2 0 0 7 1 1 4 8 5 O ． 【 3 】鹿跃丽， 陈江义． 牛头刨床六杆机构的优化设计[ J ] ． 郑 州工业大学学报， 1 9 9 9 3 3 9 4 1 ． 【 4 】 孟兆明， 常德功． 机械最优设计技术及其应用 [ M] ． 北 京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 7 ．