液控單向閥在鎖緊回路中的控制特性研究

蘇沛群，鄧志輝，張西良

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇常州 213164;2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

液壓系統(tǒng)中的液控單向閥也稱為“液壓鎖”，由于液控單向閥具有良好的閉鎖性能、無泄漏、長時間保持液壓缸鎖緊定位等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鎖緊回路、平衡回路和保壓回路中。圖1為內(nèi)泄式液控單向閥的結(jié)構(gòu)簡圖，當(dāng)控制油口PK無壓力油通過時，其功能與普通單向閥相同;當(dāng)控制油口PK通入壓力油時，控制活塞推動閥芯上移，使閥芯保持開啟狀態(tài)，油口PA與PB兩腔相通，實(shí)現(xiàn)油液的反向流動。

圖1 內(nèi)泄式液控單向閥結(jié)構(gòu)簡圖

在液控單向閥的應(yīng)用回路中，經(jīng)常用到為了克服液壓缸運(yùn)動過程中的速度不穩(wěn)定或需要控制液壓缸的運(yùn)動速度而在回路中加設(shè)單向節(jié)流閥 (例加工中心換刀液壓系統(tǒng))。根據(jù)單向節(jié)流閥在回路中的安裝位置不同，可分為單向節(jié)流閥處于液控單向閥與換向閥之間 (如圖2)和單向節(jié)流閥處于液壓缸與液控單向閥之間 (如圖3)兩種基本回路。文中以最常用的不帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥為例，分析液控單向閥在鎖緊回路中不同安裝位置、不同負(fù)載方向的開啟特性。

圖2 單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的鎖緊回路

圖3 單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向 閥之間的鎖緊回路

1 單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的鎖緊回路

由圖2可知，液壓缸在任意位置停留時，其活塞上所受到的兩個方向的作用力應(yīng)相等，忽略摩擦阻力等因素，則有:

式中:A1為液壓缸無桿腔面積;

A2為液壓缸有桿腔面積;

F為液壓缸的軸向負(fù)載 (向右為正，向左為負(fù));

p左腔為液壓缸左腔壓力;

p右腔為液壓缸右腔壓力。

設(shè)液壓缸速比=φ，液壓缸負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力=p，則式 (1)改為:F

1.1 無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油

當(dāng)換向閥換至右位，液壓缸向前 (活塞桿伸出的方向)運(yùn)動時，與有桿腔出口相連的液控單向閥(圖2中左邊)需反向開啟。若忽略液控單向閥閥芯及控制活塞的摩擦力、液控單向閥的彈簧力和閥芯的重力 (此3項(xiàng)都很小)，對圖1液控單向閥閥芯進(jìn)行受力分析可知，當(dāng)油液反向流動時，閥芯的受力平衡表達(dá)式為:

式中:pK為液控單向閥的控制壓力;

pA為液控單向閥反向進(jìn)油腔壓力;

pB為液控單向閥反向出油腔壓力;

AK為液控單向閥的控制活塞承壓面積;

AC為液控單向閥的單向閥閥芯承壓面積 (閥座口的面積)。

設(shè)油液通過圖2左邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp;液控單向閥的=M，忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失。由圖2可知:p右腔=pK，p左腔=pA，pB=Δp;代入式 (2)和式 (3)得閥芯的受力平衡表達(dá)式為:

從式 (4)可以看出:液控單向閥的控制壓力pK不僅與負(fù)載F使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF有關(guān)，還與液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M、液壓缸的速比φ和回油阻力Δp有關(guān)。

通常情況下M＞φ，因此以下分析均以M＞φ為使用條件。

(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)荷 (活塞桿受壓)時，則式 (4)為:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

因?yàn)橐嚎貑蜗蜷y反向開啟前油液靜止，所以Δp=0。

液控單向閥反向開啟的必要條件為:

(M－φ)pK≥－φ×pF

無論pK(進(jìn)油腔)多大，均能反向打開液控單向閥。

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時，則式 (4)為:

①液控單向閥反向開啟的必要條件為:

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

1.2 有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油

當(dāng)換向閥換至左位，液壓缸向后 (活塞桿縮回的方向)運(yùn)動時，與無桿腔出口相連的液控單向閥(圖2中右邊)需反向開啟。

設(shè)通過圖2右邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp，忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失，對照圖2可知:p左腔=pK，p右腔=pA，pB= Δp。代入式 (2)和式(3)得:

(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時:式 (7)則為:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

因?yàn)橐嚎貑蜗蜷y反向開啟前油液靜止，所以Δp=0。

液控單向閥反向開啟的必要條件為:

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

液控單向閥反向開啟的必要條件為:

因?yàn)镸×φ－1＞0，所以無論pK(進(jìn)油腔)多大，均能反向打開液控單向閥。

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

2 單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向閥之間的鎖緊回路

由圖3可得，液壓缸的平衡方程式同式 (1)。

2.1 無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油

當(dāng)換向閥換至右位，液壓缸向前 (活塞桿伸出的方向)運(yùn)動時，與有桿腔出口相連的液控單向閥(圖3中左邊)需反向開啟。設(shè):通過圖3左邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp，忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失，對照圖3可知:p右腔=pK，p左腔=Δp+pA，pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:

(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時，同理分析可知:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

(M－φ)pK≥－φ×pF

無論pK(進(jìn)油腔)多大，均能反向打開液控單向閥。

②液控單向閥開啟后所需控制壓力

無論pK(進(jìn)油腔)多大，均能使液控單向閥反向開啟工作。

(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時，同理分析可知:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

2.2 有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油

當(dāng)換向閥換至左位，液壓缸向后 (活塞桿縮回的方向)運(yùn)動時，與無桿腔出口相連的液控單向閥(圖3中右邊)需反向開啟。設(shè)通過圖3右邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp，忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失，對照圖3可知:p左腔=pK，p右腔=Δp+pA，pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:

(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時，同理分析可知:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時，同理分析可知:

①液控單向閥反向開啟的必要條件:

無論pK多大，均能反向打開液控單向閥。

②液控單向閥開啟后所需控制壓力:

無論pK多大，均能使液控單向閥反向開啟工作。

從以上分析可知，液控單向閥安裝位置不同，不影響反向打開液控單向閥的必要條件，但當(dāng)液控單向閥打開工作時，單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向閥之間所需的控制壓力要小于單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的控制壓力。

3 M、φ值對開啟壓力的影響

3.1 液控單向閥開啟壓力歸納

在忽略液控單向閥的彈簧力、液控單向閥閥芯及控制活塞的摩擦力和閥芯重力的前提下，以上分析可歸納為以下幾點(diǎn):

3.2 M、φ值對開啟壓力的影響

通常液壓缸的φ取值范圍為:φ=1.3～2.0;一般內(nèi)泄式液控單向閥的M值范圍為:M=2.5～3.5。

圖4(a)為M值一定時，φ值變化對系數(shù)φ/(M－φ)的影響曲線;圖4(b)為φ值一定時，M值變化對系數(shù)φ/(M－φ)的影響曲線。從圖4(a)中可看出:當(dāng)負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M值一定時，隨著液壓缸速比φ的增加，系數(shù)φ/(M－φ)增大，開啟壓力隨之增大，M值越小，影響越大。從圖4(b)中可看出:當(dāng)pF和φ值一定時，隨著M值的增加，系數(shù)φ/(M－φ)減小，開啟壓力隨之變小，速比φ越大，影響越大。當(dāng)M值較小且φ值較大時，可使最大開啟壓力比pF值大約4倍。所以液壓缸的速比和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能對液控單向閥的開啟壓力產(chǎn)生較大的影響。

圖4 φ、M值對系數(shù)φ/(M－φ)的影響曲線

(2)液壓缸有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油且液壓缸承受正向負(fù)載。由前面分析可知，打開液控單向閥的必要條件是:

圖5(a)為M值一定時，φ值變化對系數(shù)φ/(M×φ－1)的影響曲線;圖5(b)為φ值一定時，M值變化對系數(shù)φ/(M×φ－1)的影響曲線。從圖5(a)中可看出:當(dāng)負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M值一定時，液壓缸速比φ值越大，系數(shù)φ/(M×φ－1)越小，開啟壓力越小，但影響不大;從圖5(b)中可看出:當(dāng)pF和φ值一定時，M值越大，系數(shù)φ/(M×φ－1)越小，開啟壓力也越小。當(dāng)M值較小且φ值也較小時，系數(shù)φ/(M×φ－1)較大，但最大開啟壓力也僅為0.58pF。

圖5 φ、M值變化對系數(shù)φ/(M×φ－1)的影響曲線

比較圖4和圖5可知，系數(shù)φ/(M－φ)比系數(shù)φ/(M×φ－1)要大許多。

如果M＜φ，根據(jù)以上分析可知，在無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油且液壓缸承受反向負(fù)載 (例立式液壓缸的自重)時，無論控制壓力pK升至多高，都無法反向打開液控單向閥，即液壓系統(tǒng)無法正常工作。因此，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對于液控單向閥應(yīng)用于液壓機(jī)等液壓缸速比較大的液壓系統(tǒng)時，一定要核算所選的液控單向閥是否滿足開啟的必要條件，即使是能夠滿足開啟條件的液壓系統(tǒng)，為了避免液控單向閥的反向開啟壓力過大而造成系統(tǒng)能耗大、發(fā)熱量大等問題，也一定要合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的液控單向閥。如果所選內(nèi)泄式液控單向閥不能滿足開啟條件或開啟壓力過大，應(yīng)選用帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥。

4 結(jié)論

(1)單向節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中安裝位置不同，不影響反向打開液控單向閥的開啟壓力，但當(dāng)液控單向閥打開工作時，單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向閥之間所需的控制壓力要小于單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的控制壓力。

(2)無論液壓缸受壓還是受拉，只要滿足有桿腔進(jìn)油時的液控單向閥開鎖條件，就一定能滿足無桿腔進(jìn)油的開鎖條件。

(3)當(dāng)液壓缸無桿腔進(jìn)油，有桿腔回油且液壓缸承受反向負(fù)載時，液控單向閥反向開啟所需的壓力最大。M值越大，反向開啟壓力越小;φ值越大，反向開啟壓力越大。當(dāng)M值較小且φ值較大時，液控單向閥的反向開啟壓力可能比負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF大好幾倍。

此時若M＜φ，無論控制壓力pK升至多高，都無法反向打開液控單向閥。

(4)如果所選內(nèi)泄式液控單向閥不能滿足開啟的必要條件或開啟壓力過大，應(yīng)選用帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥。

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