FD型平衡閥的分析與應(yīng)用黃國(guó)威

李德飛

摘 要：文章對(duì)FD型平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了說(shuō)明；并通過(guò)建立FD型平衡閥的數(shù)學(xué)模型分析了其根據(jù)執(zhí)行器進(jìn)口側(cè)流量來(lái)控制出口側(cè)流量的特性；最后對(duì)FD型平衡閥應(yīng)用過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：FD型平衡閥；工作特性；數(shù)學(xué)模型；應(yīng)用

引言

FD型平衡閥亦稱單向截止型平衡調(diào)速閥，屬于流量控制閥的范疇[1]。它有插裝式安裝、SAE法蘭安裝和底板安裝三種安裝方式可供選擇，廣泛應(yīng)用于冶金機(jī)械的液壓控制系統(tǒng)中。在具有負(fù)載荷的場(chǎng)合如冷軋機(jī)的上、卸卷小車升降和翻卷機(jī)傾翻的液壓控制系統(tǒng)中，它被用來(lái)防止負(fù)載荷引起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)“失控”；在慣性力較大的場(chǎng)合如熱連軋機(jī)鋼卷小車行走的液壓控制系統(tǒng)，它被用來(lái)避免在控制中出現(xiàn)不希望的前沖[2]；在特定的安裝位置，F(xiàn)D型平衡閥還可以在系統(tǒng)失壓時(shí)起到安全閥的作用。

1 FD平衡閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

FD 型平衡閥的結(jié)構(gòu)及元件符號(hào)如圖1所示，由閥體①、主閥芯②、先導(dǎo)體③、控制閥芯④、阻尼閥芯⑤，阻尼孔⑥和控制腔⑦、⑧、⑨組成。接入系統(tǒng)時(shí)，油口A與壓力源連接，油口B與負(fù)載端連接。

當(dāng)油液流動(dòng)方向?yàn)锳-B時(shí)，液壓力克服控制腔⑧中的彈簧力及負(fù)載力將主閥芯②打開(kāi)，A-B自由流動(dòng)。若FD型平衡閥緊靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝，在A側(cè)失壓（例如方向閥至油口A的連接管路爆裂）時(shí)，由于控制腔⑧通負(fù)載壓力，則主閥芯②在負(fù)載壓力和彈簧力的作用下復(fù)位，A-B通道關(guān)閉且無(wú)泄漏，執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位。此時(shí)，F(xiàn)D型平衡閥起到安全閥的作用。

當(dāng)油液流動(dòng)方向?yàn)锽-A時(shí)，A口通過(guò)換向閥與油箱相連，則必須保證控制油口X有足夠的先導(dǎo)控制壓力推動(dòng)控制閥芯④打開(kāi)主閥芯②，實(shí)現(xiàn)B-A的連通。FD型平衡閥的先導(dǎo)比一般為20：1，當(dāng)X口壓力達(dá)到負(fù)載壓力的二十分之一時(shí)，控制閥芯④首先推動(dòng)先導(dǎo)體③升離閥座向右移動(dòng)，切斷B油口與控制腔⑧的連通，同時(shí)控制腔⑧中的壓力油經(jīng)其內(nèi)孔和油口A卸荷，主閥芯②釋壓。此時(shí)，控制閥芯④右端面緊頂主閥芯②，左部凸臺(tái)接觸阻尼閥芯⑤。至此，打開(kāi)B-A通道即打開(kāi)主閥芯而所需在X口建立的壓力完全取決于控制腔⑨中的彈簧力。B-A開(kāi)口面積的逐漸增加是靠主閥芯②的控制棱邊逐漸打開(kāi)其閥套上的小孔來(lái)實(shí)現(xiàn)的。X油口控制壓力、B-A的通流面積及B-A之間的壓差決定了從平衡閥通過(guò)的流量即執(zhí)行機(jī)構(gòu)的排出流量，而這本身取決于執(zhí)行器另一側(cè)的進(jìn)口流量。目前，大部分廠家生產(chǎn)的FD型平衡閥打開(kāi)B-A通道的初始?jí)毫? MPa，完全打開(kāi)需要5-6 MPa。

2 FD型平衡閥數(shù)學(xué)模型及特性分析

下面結(jié)合圖3所示的某一升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建立FD型平衡閥的數(shù)學(xué)模型對(duì)其根據(jù)進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)口側(cè)的流量來(lái)控制出口側(cè)流量的特性進(jìn)行分析（分析過(guò)程未考慮液動(dòng)力和泄露）。

控制閥芯4的受力平衡公式：

（1）

液壓缸活塞上的力平衡公式：

（2）

執(zhí)行器的出口流量公式：

（3）

△T時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)容腔V1壓力增量方程：

（4）

式中各符號(hào)的意義：P1-控制油口的壓力即執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)口側(cè)壓力；PAZ-平衡閥差動(dòng)控制活塞桿腔壓力；AAS-平衡閥差動(dòng)控制活塞塞腔面積；AAZ-平衡閥差動(dòng)控制活塞桿腔面積；mx-控制閥芯質(zhì)量；Bx-控制閥芯粘性阻尼系數(shù)；Kx-控制腔⑨彈簧剛度；K-負(fù)載彈簧剛度；AG-執(zhí)行機(jī)構(gòu)有桿腔作用面積；AH-執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)桿腔作用面積；FL-負(fù)載力；ρ-油液密度；M-活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bz-活塞及負(fù)載粘性阻尼系數(shù)；W-主閥芯節(jié)流口面積增益；P2-執(zhí)行機(jī)構(gòu)出口側(cè)壓力；P0-回油壓力；Ee1-V1內(nèi)油液等效體積彈性模量；Cd-流量系數(shù)；Qc-執(zhí)行器出口側(cè)流量；QP-執(zhí)行器進(jìn)口側(cè)流量；V1-換向閥出口A至執(zhí)行機(jī)構(gòu)有桿腔和平衡閥控制活塞處形成的動(dòng)態(tài)密閉容腔總?cè)莘e。

根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)系統(tǒng)處于某一穩(wěn)態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)勻速下降時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)粘性阻尼很小，可忽略不計(jì)，并視負(fù)載為慣性負(fù)載且回油壓力P0為零。等式（1）和（2）可表示為：

（5）

（6）

其中Ad表示平衡閥差動(dòng)控制活塞等效作用面積。

聯(lián)立公式（3）、（5）和（6），可得：

（7）

由公式（7）可知，當(dāng)系統(tǒng)處于某一穩(wěn)態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出口流量QC由P1決定。根據(jù)公式（4），P1在△T時(shí)間內(nèi)的變化量由△T時(shí)間內(nèi)進(jìn)入動(dòng)態(tài)容腔V1的油液體積和活塞運(yùn)動(dòng)所造成的動(dòng)態(tài)容腔V1的容積增量?jī)烧咧顩Q定。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)容腔V1的油液體積和活塞運(yùn)動(dòng)所造成的動(dòng)態(tài)容腔V1的容積增量?jī)烧呦嗟?，P1保持不變。當(dāng)Qp突然增大，因?yàn)榛钊磻?yīng)存在滯后，仍保持原運(yùn)動(dòng)速度，則穩(wěn)態(tài)被打破，導(dǎo)致P1增大，P1增大使出口流量QC也跟隨變化，系統(tǒng)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)下運(yùn)動(dòng)，新穩(wěn)態(tài)下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度因?yàn)檫M(jìn)口流量QP的增大比前一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)要大，反之亦然。

若負(fù)載為彈性負(fù)載，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)出口流量為：

（8）

當(dāng)系統(tǒng)處于某一穩(wěn)態(tài)，出口流量QC與慣性負(fù)載系統(tǒng)相比除與P1相關(guān)，還受到負(fù)載剛度K和負(fù)載位置Z的影響，出口側(cè)流量不完全取決于進(jìn)口側(cè)流量Qp。因此，F(xiàn)D型平衡閥在彈性負(fù)載系統(tǒng)中的控制性能不如慣性負(fù)載系統(tǒng)。

從閥環(huán)節(jié)來(lái)看，在FD型平衡閥主閥芯打開(kāi)的過(guò)程中，負(fù)載力不對(duì)平衡閥的控制產(chǎn)生影響，閥的開(kāi)口僅由控制壓力和彈簧剛度來(lái)決定，這是FD型平衡閥區(qū)別于其他一些平衡閥的一個(gè)特點(diǎn)。

3 FD型平衡閥應(yīng)用中一些問(wèn)題的探討

FD型平衡閥的特點(diǎn)決定了它應(yīng)用的廣泛性，在其應(yīng)用中存在一些需要注意的問(wèn)題，下面就這些問(wèn)題進(jìn)行一些探討。

FD型平衡閥的安裝位置。FD型平衡閥安裝在有負(fù)載荷需要平衡的回路中，當(dāng)系統(tǒng)中存在軟管連接時(shí)，平衡閥盡可能地放在執(zhí)行機(jī)構(gòu)與軟管之間，在軟管爆裂時(shí)保證系統(tǒng)的安全性。另外，一些對(duì)位置精度有要求的系統(tǒng)，如冷連軋機(jī)的上卷小車升降系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中軟管長(zhǎng)度長(zhǎng)且負(fù)載壓力大，負(fù)載壓力可能造成軟管形變進(jìn)而影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置精度。當(dāng)平衡閥緊靠近執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝可以消除這種影響。endprint

單向節(jié)流閥和平衡閥共用的系統(tǒng)。FD型平衡閥的主要功能是防止負(fù)載荷引起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的“失控”，在一些要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度可調(diào)的系統(tǒng)中，有可能出現(xiàn)單向節(jié)流閥與平衡閥共存的情況，單向節(jié)流閥位于換向閥與平衡閥之間，這種情況要注意單向節(jié)流閥的安裝方向。在對(duì)系統(tǒng)調(diào)速有要求的系統(tǒng)中，一般采用進(jìn)口節(jié)流的方式來(lái)進(jìn)行速度控制，如圖3-（A）所示，進(jìn)入液壓缸有桿腔的流量由節(jié)流閥調(diào)節(jié)控制。若采用如圖3-（B）所示出口節(jié)流的方式，則在無(wú)桿腔與換向閥之間出現(xiàn)平衡閥和節(jié)流閥兩次節(jié)流，兩者功能重疊，單向節(jié)流閥在平衡閥A口建立起來(lái)與通過(guò)流量和節(jié)流閥開(kāi)口面積相關(guān)的壓力，影響平衡閥的控制性能。

有機(jī)械強(qiáng)制同步的兩缸或多缸系統(tǒng)，不能每一個(gè)油缸分別使用單獨(dú)的FD型平衡閥來(lái)進(jìn)行控制，如圖4（A）所示；平衡閥應(yīng)安裝在公共油路上，在每缸出口處可以設(shè)置液控單向閥來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，如圖4（B）所示。由分析可知，平衡閥節(jié)流口開(kāi)度的大小是由控制壓力的大小決定的，因此，控制壓力和平衡閥節(jié)流口前后壓差決定了從油缸排出的流量。當(dāng)采用圖4（A）的連接方式時(shí)，由于管路布置和其他方面的差異，很難保證在每個(gè)平衡閥上都保持相同的閥口開(kāi)度和壓差，導(dǎo)致兩缸的出口流量不同，這與機(jī)械強(qiáng)制同步兩者之間產(chǎn)生矛盾，產(chǎn)生“別勁”的現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備造成破壞。

與液控單向閥組合使用。在一些場(chǎng)合，可能出現(xiàn)液控單向閥與平衡閥共存的回路，在元件選型時(shí)要注意負(fù)載、液控單向閥與平衡閥三者之間的匹配，否則可能會(huì)出現(xiàn)平衡閥失效、下降時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)爬行的現(xiàn)象。

如圖4（B）所示，在初始狀態(tài)，無(wú)桿腔內(nèi)的壓力為負(fù)載壓力PL，打開(kāi)液控單向閥所需的壓力為：

P1>PL*？追 （9）

其中，Ψ為液控單向閥的負(fù)載壓力作用面積與控制油作用面積的比值。如果負(fù)載壓力較大或者Ψ較小，則液控單向閥所需的開(kāi)啟壓力P1會(huì)上升，而FD型平衡閥的初始開(kāi)啟壓力一般為20bar，全部開(kāi)啟時(shí)壓力為50-60bar。當(dāng)P1大于一定數(shù)值時(shí)，當(dāng)液控單向閥開(kāi)啟時(shí)平衡閥已經(jīng)全部或部分打開(kāi)，失去其調(diào)節(jié)作用，平衡閥可能失效。液壓缸也可能會(huì)出現(xiàn)爬行下降的現(xiàn)象。因此，選型時(shí)要核算負(fù)載、液壓鎖與平衡閥三者之間的關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)建立FD型平衡閥的數(shù)學(xué)模型說(shuō)明了其進(jìn)口流量決定出口流量的控制特性及特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)FD型平衡閥的安裝位置及其與常用控制閥組合使用時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)FD型平衡閥的工程應(yīng)用具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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