负载反馈型比例多路阀阀芯改进措施.pdf

验 ，正 流量液压 系统实现 了电控液压 系统与发动 机、 工作装置一体化的有机结合， 取得了突破性的 成果。 4 结论 经过搭机测试 ， 正流量系统挖掘机 比负流量系 统挖掘机综合性能指标显著提高， 操作舒适性和动 作平稳性也有较大提高。而其成本与负流量挖掘机 基本持平， 具有较高的性价比。挖掘机液压系统采 用其配套， 将具有显著地经济效益和社会效益。 高效、 节能、 环保 、 操作舒适性、 高可靠性是产 品开发 的 目标 ， 也是客户的基本要求 。正流量控制 液压系统的研发成功 ， 将推动 国内挖掘机液压技术 的快速发展， 逐渐打破国外对我国高端液压元件的 垄断， 从而打破依赖进 口的被动局面 ， 使我国的液 压技术尽快与 国际先进技术相接轨。 参考文献 【 1 ]1 伏志和． 当代液压挖掘机功率控制技术的分析【 J 】 ． 工程 机械， 2 0 0 3 ， 3 4 l 一 4 5 ． [ 2 】高峰． 液压挖掘机节能控制[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 1 ． 【 3 】彭天好， 杨华勇， 傅新． 液压挖掘机全局功率匹配与协调 控制【 J 】 ． 机械工程学报， 2 0 0 1 ， 1 1 5 0 5 3 ． 『 4 ]贾文华， 殷晨波 ， 曹东辉， 等． 挖掘机正流量泵控液压系 统的特性分析 【 J 1 ． 南京工业大学学报 ， 2 0 1 1 ， 1 1 98 -1 01 ． [ 5 1李武， 崔毅 ， 潘国远． 液压挖掘机分工况控制中泵一 发动 机的匹配[ J ] ．装备制造技术， 2 0 0 8 ， 8 9 - 1 2 ． 通信地址山东省青岛经济技术开发区前湾港路 5 7 9号山海 花园实验研发楼 3 - 3 0 2 山东中川液压有限公司青岛研发中 心 2 6 6 5 1 0 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 5 负载反馈型比例 多路 阀阀芯改进措施 邓江涛， 杨发虎 ， 石迁 重庆迪马工业有限责任公司研究院 摘要 负载反馈型比例多路阀在工程机械上得到大量应用， 但其品牌繁多， 良 莠不齐， 致使 l 液压系统发热和影响机械结构运行平稳性等故障现象发生。探其原因， 发现是阀芯按普通的比 ； 例阀阀芯四通对称阀芯设计所致。提出阀芯改进的措施 细分阀芯类型， 供不同的液压系统 选型。改进措施在压缩式垃圾车产品上得到了很好的验证。 关键词 对称阀芯 ； 非对称 阀芯 ； 节流 ； 压力损失 负载反馈 型 比例 多路 阀具有便 于调节机械结 构 的运动速度 、 有大量插件可供选用 、 应用简单等 优点 ， 在工程机械上得到大量应用 。负载反馈型 比 例多路阀品牌繁多 ， 选择余地大 ， 但也会 由此增加 液压系统的不确定性。液压设计者须深入分析此比 例多路 阀阀芯结构 ，不能按单一的阀芯进行设计 ， 需根据不同的液压系统选择不同的阀芯， 提出相应 的阀芯改进要求， 从而避免比例多路阀给液压系统 带来 的不确定性 。 1 问题分析 某品牌的负载反馈 型 比例多路 阀曾导致我公 司的压缩式垃圾车出现液压油路发热[ 1 ] 与高空作业 车中臂、 下臂非平稳下行翻 等问题出现， 分析原因后 认 为是 比例 多 路 阀应用 了普 通 比例 阀 的阀芯 结 构四通对称阀芯所致。而负载反馈型比例多路 阀的阀芯应在四通对称阀芯的基础上改进， 才能更 大限度地降低 A腔 ／ B腔到 T腔油路的压力损失 作者简介 邓江涛 1 9 7 5 一 ， 男， 四川邻水人 ， 工程师， 研究方向 工程车辆液压系统设计。 - 43--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m A p 以下 同 见图 1 ， 这样才能降低发热 ， 并减少发 生因多路阀影响机械结构运动平稳性的问题。 2 1 ． 阀芯2 ． 阀体 图 1 普通 比例阀装配图 1 ． 1 普通比例阀结构分析 图 1 为某普通 比例 阀工作阀片的装配图。图 2 为普通比例阀控制对称缸的示意图。 图 2 普通比例 阀控制对称缸示意图 现结合 图 2分析对普通 比例阀设置 回油节流 从而产生压力损失 A P 是必要的。 设定 P腔压力为 P ， B腔压力为 p B , A腔压力 为 p A , F加载在 活塞上 的压力为P L , O t 为节流槽角度 。 比例阀在调节流量时其P 等于系统压力， 多余 的液压油从系统的溢流阀溢流。液压缸是对称的， P腔到 B腔的流量等于 A腔到 T腔的流量 ，即 Q Q ， 又因阀芯的对称结构， 故流体从 P腔到 B 腔和 A腔到 T腔的压力损失相等 ， 即 △p P B △P rr p P L ／ 2 众所周知 ， 对于各种滑阀 ， 通过 阀口的流量均 可 由下式得出 一 4 4一 Q C a、 ／ 2 A p i p 1 A腔 ／ B腔到 T腔有节流槽时 ， 则 Q p - B C A X ,／ p p -- p L ／ p 2 A腔 ／ B腔到 T腔无节流槽 ， 即 A p T O ， 则 Q c a” ％ ／ 2 p p -- p L ／ p 3 式 1 至 3 中 C为流量 系数 ； A为 P腔到 A腔 ／ B 腔 阀 口通流 面积 ； A 为有节流槽 的 P腔到 A腔 ， B 腔 阀 口通流 面积 ； A ” 为无节流槽 的 P腔到 A腔 ， B 腔 阀口通流面积 ， m ； A p为阀 E l 先后压差 ， P a ； p为 流体密度 ， k g ／ m 。 分析式 2 、 3 知， 流量相同时 A 、 ／ 2 A ， 又 因 A k b t g f 为阀芯行程 ， m； b为节流槽宽度 ， m； k 为节流槽数 ，则k ， b 相同时； 2 ＼ ／ z 为有节流 槽的阀芯行程、 I ， ， 为无节流槽的阀芯行程 ， i n ，即 A 腔 ， B腔到 T腔有节流槽的阀芯行程为无节流槽 的 、 ／ 倍， 这样调节范围更广， 调节精度更准。故对于 普通比例阀而言， A腔 ， B腔到 T 腔有节流从而产生 A p 是必须的。 1 ． 2 负载反馈型 比例多路阀液压原理分析 图 3为负载反馈型比例多路 阀液压原理图。 A B A B J _ 1 l I 圈 r I - Y l l ● I _ _ f t ． ■ I 】 ＼ i v __ I ． i I● 1 ． 定差溢流阀2 ． 单向阀3 ． 梭阀4 ． 压力补偿器 图 3 负载反馈型比例多路阀液压原理 图 图 3中的定差溢流阀 1或压力补偿器 4先后压 差一定 ， 即 P腔到 A腔 ， B腔的压力损失为恒定值 ， 一 般为 1 M P a ， 式 2 化为 Q s C A、 ／ 2 ／p， 则 P腔到 A腔 ／ B腔的流量调节范围 、调节精度只与 C， A有 关 ， 与 Ap 无关。 故可 以取消 A腔 ／ B腔到 T腔的节 流槽或加大节流槽 。 1 ． 3 原负载反馈比例多路阀的缺陷 图 4为未改进的某 品牌负载反馈比例多路 阀不 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 2 0 40 6 O 8 0 1 0 0 1 20 1 40 1 6 O 1 8 0 2 0 02 2 0 流量0 L ／ m i n 图 4 阀芯最大行程时压力损失 a t , 同阀芯最大行程 时对应不 同流量的压力损失 AP 图。 a ， b ， c ， d ， e ， f 阀芯定义为最大行程时， 流体从 P 腔 到 A腔 ， B腔最大流量分别为 5 L ／ m i n ， 1 0 L ／ m i n ， 2 5 L ／ mi n ， 4 0 L ／ m i n ， 6 5 L ／ m i n ， 1 0 0 L ／ mi n的阀芯。 从图 4可知 此 比例多路阀随阀芯、 流量、 执行 元件不同而 A p 也不 同。 根据图 4绘制了各种情况 下阀芯最大行程时的压力损失 △p 见表 1 。 表 1 阀芯最大行程时的压力损失 △ MP a 液压缸 无杆腔回油时 液压 阀芯 无杆腔与有杆腔作用面积比 n 马达 1 ． 3 3 1 ． 4 6 2 ． 0 O 3 ． o 0 a 0．97 1． 3 5 1 ． 4 0 2． 43 4． 7 8 b O ．7 7 1 ． 2 2 1 ． 5 6 2 ． 4 9 4 ． 9 5 C O．68 0． 98 1 ． 1 6 2． 0 0 4 ． 2 0 d O ．6 2 0 ． 8 9 1 ． 0 5 1 ． 8 2 4 ． 1 0 e 0．72 1 ． 1 8 1 ． 43 2．08 f 0． 8 4 l- 3 8 1 ． 78 3． 0 5 从表 1 可以知道 当此 比例多路阀的执行元件 为液压马达时， A p 不大；当此比例多路阀的执行 元件为液压缸时， A P 随无杆腔与有杆腔作用面积 比 以下简称面积 比 凡增加而增加 ， 如 阀芯为 b ， 面 积比 为 3时高达 4 ． 9 5 MP a ， 甚至更高。 现在探讨 阀芯未到最大行程 ， 即在任意位置时 的 A p ， 因很多液压设计者和销售人员对 比例阀的 认识还停 留在普通 的方 向换 向阀层面上 ， 认为阀芯 行程 变小 、 执行元件进油量将减少 ， 回油量 随之减 少 ， 则 A p 减少很多且无法定量 。 以c 阀芯、 n 3 为例分析阀芯行程对 A P 的影响。 1 计算阀芯最大行程时节流面积 A 为 了方 便计算 ，则取执行元件为液压马达，流量相等， 故 C v C p 由式 1 得 舞 乙 ， n 4 因 P腔到 B腔 ， A腔的压力损失 A p a l M P a ， c 阀芯最大行程时， P腔到 A腔 ／ B腔的流量、 A腔 ， B 腔到 T腔的流量都为 2 5 L ／ m i n ， Ap 0 ． 6 8 MP a 。则 垒 阻 f 5 、 A p T Q T Z p 2 CT Z A 则 AT I ． 2 1 A P 6 2 计算 c T 与 c P 的关系 由样本和表 1知 n 3时 主阀芯最大行程时， 流体从 P腔到 B腔 ／ A腔的流量 Q F 2 5 L ／ m i n ， A腔 ／ B腔 到 T腔 的流量 Q a ． 7 5 L ／ m i n ， A p a - 4 ． 2 M P a ， 由 式 5 、 6 计算得 ／ ， 1 ＼ 2 f 1 1 ．4 6 7 ＼L, p／ 因 比例多路 阀的流量 与通 流面积成正 比例关 系 ， 则 、 在 阀芯行程范围内是不变的 ， 设 阀芯行 程减少导致节流面积减少 △ ， 式 4 、 5 、 6 、 7 联解得 A p T 6 ． 1 6 8 式 5 至 8 中 C为流量系数 ； A为 阀口通流面积 ， m ； A p为阀口先后压差， P a ； p为流体密度 ， k g ／ m 。 ； 为 A腔 ， B腔到 T腔 的流量 系数 ； C p 为 P腔到 A 腔 ／ B腔的流量系数 ； A 为 A腔 ／ B腔到 T腔的节流 面积 ， m ； A 为 P腔到 A腔 ／ B腔的节流面积 ， m 。 3 由式 8 绘制出 n 3时， 阀芯行程对应 A p 曲线 图， 见 图 5 。 综上分析， 对称阀芯的比例多路阀 A p 随面积 比凡 增加而增加，如此高的压力损失导致液压系统 会发生下列故障 1 液压系统发热 、 浪费能源。 系统流量大于液 压缸有杆腔所需进油量时，负载反馈多路 阀的溢流 阀压力损失与 A p 成 n倍关 系 面积 比 ， 再加上 比 例多路阀的 A p ， 这样多路阀发热量是很大的。 2 液压系统不稳定。如果在比例多路阀与液 压缸之间加装 了平衡 阀、 液控单 向阀， 则 因为 Ap -- - 45 6 5 4 3 2 1 0 1I 广 司 趟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 至 司 瞩 R 出 0 1 2 3 4 5 6 7 阀芯行程／ ram 图 5阀芯行程对应 △ 导致产生背压， 使得平衡阀、 液控单向阀阀芯在阀孔 里重复滑动导致机械结构高频振动【2 ． 3 1 。 3 影响液压缸活塞杆缩回速度 。当液压缸有 杆腔进油 ， 无杆腔 回油时， 根据液压缸力平衡原理 p Y 5 Y A p S w F 9 式中 A P 为无杆腔压力 ， P a ； S w 为无杆腔面积 ， m ； P 为有杆腔压力 ， P a ； S 为有 杆腔面积 ， i n ； F为负 载， N。 由 9 式可得 得p y ---- ／“t A p T ，_ ． Y 当P Y ≤ A p T ，_时， 液压油从多路阀的溢流阀 Y 溢流一部分 ， 有杆腔的流量减少导致无杆腔流量减 少 ， 从而 A P 减少 ， 这样液压缸活塞杆减速缩回。 4 对称 阀芯与液压缸不相容性 ， 在液压缸换 向瞬间 ， 出现巨大的压力跃变， 很有可能导致管路振 动强烈 ， 以致爆裂 。 2 改进措施 由于此负载反馈型比例多路阀应用了普通比例 阀的阀芯对称 四通 阀的阀芯 ， 给液压系统带来 了诸多问题 ， 改进阀芯的结构是势在必行 ， 改进的措 施是对阀芯结构进行细分以适应不同的液压系统。 2 ． 1 执行元件为液压缸时选用非对称阀芯 执行元件为液压缸时 ， 可以选择非对称阀芯 ， 阀 芯流量尽可能符合面积比n ，这在某品牌负载敏感 式比例多路换向阀、 片式高压负荷传感多路阀、 液压 书籍[51 中都有详细的介绍。现以面积比n 3的液压 缸 ，系统 流量 为 3 0 L ／ m i n ，流量调 节范 围 l 5 ～ 2 5 - - - - 4 6--- Um i n的液压系统为例 ，分析选用非对称 阀芯后的 A P 。根据面积 比 n 3 ， 选择 阀芯 有杆腔 c型 2 5 Um i n 、 无杆腔 e 型 6 5 L ／ m i n 的阀芯。 当有杆腔按最大 2 5 L ／ m i n 进油时 ，无杆腔回油 为 7 5 L ／ m i n ， 查图 4的 e阀芯 ， 可知压力损失为 0 ． 9 2 M P a ，比选用 C型对称阀芯压力损失 4 ． 2 MP a小很 多。 当无杆腔按最大 2 5 L ／ mi n 进油时 ， 有杆腔回油为 2 5 ／ n 8 ． 3 3 L ／ ra i n ，查样本知阀芯行程在 4 ． 8 mm处 ， c 型阀芯在 Ap r l MP a 时， 流量为 1 1 L ／ m i n ， 故有杆腔 的压力损失 A p T 5 M P a ， 根据式 9 及已知条件分析将 严重地影响上行速度。 为了不影响上行速度可以选择 f 型 1 0 0 L ／ mi n 阀芯。 液压缸下行时， 重物加载在有杆腔的压力为 2 M P a 计算省略 ， 代入式 5 得 p P 0 ．7 Q ， 而液压缸 下行时 Q P Q T 3 ． 9 ，故无杆腔将产生真空即气 穴现象 。 2 选用非对称 阀芯的劣势 根据上面 的分 析非对称 阀芯可选择有 杆腔 e 型 6 5 L ／ m i n 、 无 杆腔 f 型 1 0 0 L ／ rai n 的阀芯 ， 按 1 项方 法分析后 ， 液 压缸下行 ， 无 杆腔也会 产生 真空即气穴现象。 可以选择有杆腔 c 型 2 5 L ／ ra in 、 无杆腔 f 型 1 0 0 L ／ ra i n 的阀芯 ， 但影响液压缸上行 速度 。 3 选用改进后 阀芯的优势 用图 7改进后的一侧节流、另一侧非节流的阀 芯很好地满足图 8 的液压系统 液压缸下行时， 液压 油无节流地从 P腔到 A腔 ， 达到液压缸无杆腔 ， 推动 活塞杆下行 ，有杆腔 的液压油经过 B腔节流到 T腔 回油箱 ，这个阀芯节流的功能是在液压缸有杆腔产 生一定 的背压来克服重物同时调节下行速度；液压 缸上行时，液压油节流的从 P腔到 B腔达到液压缸 有杆腔， 推动活塞杆上行， 无杆腔的液压油经过 A腔 无节流地到 T腔回油箱 ， 即 A腔到 T腔通过流量大、 无压力损失， 这个阀芯节流的功能是调节上行速度。 4 建议 当前工程机械液压现状是主机厂给液压元件厂 提相关要求，但因诸多原因导致液压元件厂无法满 足主机厂的要求，使得国内有几家主机厂成立了液 压元件分公司研制、生产满足自己要求的产品。同 理 ， 液压设计者根据液压系统设计需求 ， 向几大进 口 品牌公 司提出负载反馈型比例多路阀的不 同阀芯技 术要求 ， 对方会因产量 、 周期 的原因难 以满足液压设 计者的要求。 因此， 我们不妨在国内组织厂家生产， 这 是缩短周期及提高 国内液压水平 的一个很好选择。 参考文献 [ 1 ]1邓江涛， 杨发虎， 石迁 ， 陈卫． 压缩式垃圾车温升验算【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 3 l 0 1 4 ． 【 2 】邓江涛， 杨发虎， 石迁， 李曦． 高空作业车平衡阀问题分 析【 J ] ．工程机械 ， 3 9 4 1 ． [ 3 】 邓江涛， 杨发虎， 石迁． 浅淡液控单向阀的使用[ J 】 ． 工程机 械 ， 2 0 1 2 1 0 6 0 6 5 ． [ 4 ] 卢长耿 ， 李金良． 液压控制系统的分析与设计【 M 】 ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 5 ] 黎启柏． 液压元件手册[ M E 京 冶金工业出版社， 2 0 0 0 ． 通信地址 重庆市南岸区长电路 8号 重庆迪马工业有限责 任公司研究院 4 0 1 3 3 6 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 3 1 -- 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m