新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥的設(shè)計(jì)與研究①

艾 超 趙小龍

(*燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004) (**先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)) 秦皇島 066004) (***浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

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新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥的設(shè)計(jì)與研究①

艾 超②***趙小龍*

(*燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004) (**先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué)) 秦皇島 066004) (***浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

針對(duì)定量泵液壓系統(tǒng)LUDV多路閥內(nèi)壓力補(bǔ)償閥流量小的問(wèn)題，采用單通道雙溢流的方法，設(shè)計(jì)出一種新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥；經(jīng)理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了該補(bǔ)償閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)AMESim仿真和實(shí)驗(yàn)研究證明了該閥在大流量工況下具有較好的壓力卸荷特性及壓力補(bǔ)償特性，其流量可達(dá)到400L/min，卸荷壓力降到3MPa以下，滿足工程機(jī)械定量泵液壓系統(tǒng)大流量的使用要求。

三通， 壓力補(bǔ)償， 定量泵液壓系統(tǒng)， 大流量， LUDV多路閥

0 引 言

在用于定量泵液壓系統(tǒng)的LUDV多路閥中，三通壓力補(bǔ)償閥主要用于實(shí)現(xiàn)壓力限制和流量分配[1-5]。該閥由P口、T口和LS口三個(gè)油口組成，通過(guò)與多路閥內(nèi)的梭閥網(wǎng)絡(luò)配合工作，實(shí)現(xiàn)定量泵出口壓力與各路換向閥的最高負(fù)載壓力差保持恒定[6-10]。因壓力限制和流量分配問(wèn)題是設(shè)計(jì)多路閥的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在[11，12]，故合理設(shè)計(jì)三通壓力補(bǔ)償閥至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)主機(jī)廠家受負(fù)荷傳感變量泵技術(shù)限制和迫于成本壓力，在50T～135T及履帶式起重機(jī)LUDV液壓控制系統(tǒng)中大多希望采用定量泵液壓系統(tǒng)，其流量要求為400L/min，壓力至35MPa。然而，目前用于LUDV多路閥的三通壓力補(bǔ)償閥的流量還比較低，對(duì)于流量在400L/min及以上的三通壓力補(bǔ)償閥仍不能滿足市場(chǎng)的需求。雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員在三通壓力補(bǔ)償閥流量問(wèn)題上進(jìn)行了相關(guān)研究[13-16]，但未見(jiàn)有關(guān)LUDV多路閥用大流量三通壓力補(bǔ)償閥的研究報(bào)道。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種配合工程機(jī)械LUDV多路閥使用的新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥，并通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究證明，該閥能滿足大流量工況要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 原理分析

新型三通壓力補(bǔ)償閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥體、壓力補(bǔ)償閥芯、壓力彈簧、端蓋、調(diào)節(jié)螺釘和阻尼元件等組成。圖2為立體結(jié)構(gòu)示意圖。

1-調(diào)節(jié)螺釘 2-壓力彈簧 3-阻尼元件 4、7-端蓋 5-壓力補(bǔ)償閥芯 6-閥體 圖1 新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥剖面示意圖

圖2 新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥立體結(jié)構(gòu)示意圖

該閥的公稱壓力為35MPa，公稱流量為400L/min，卸荷壓力小于3MPa，適用于工程機(jī)械定量泵液壓系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，采用溢流閥進(jìn)行壓力限制的定量泵系統(tǒng)，系統(tǒng)最高壓力由溢流閥決定，多余的高壓流量需通過(guò)溢流閥返回油箱，能耗較大。通過(guò)使用三通壓力補(bǔ)償閥可以解決這些問(wèn)題。為了方便理解該三通壓力補(bǔ)償閥的工作原理，現(xiàn)將上述整閥簡(jiǎn)化為一聯(lián)比例換向閥疊加定差溢流型壓力補(bǔ)償閥組成一個(gè)定量泵液壓系統(tǒng)用閥，如圖3所示。

主要工作原理如下：

(1) 比例換向閥在中位時(shí)，系統(tǒng)壓力P通過(guò)P1口作用在壓力補(bǔ)償閥芯的右側(cè)，由于壓力補(bǔ)償閥芯左側(cè)的LS腔沒(méi)有負(fù)載壓力，壓力補(bǔ)償閥芯可直接推動(dòng)LS腔的壓力彈簧向左運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)P-T1和P-T2流動(dòng)(如圖4所示)，即可使三通壓力補(bǔ)償閥以較小的壓力卸荷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能，同時(shí)由于雙邊溢流，滿足了通流能力大的設(shè)計(jì)要求。

(2) 當(dāng)換向閥換向時(shí)，LS腔壓力和梭閥網(wǎng)絡(luò)所篩選出的最高負(fù)載壓力相等，在圖3中，即為A腔(或B腔)的壓力。在不考慮油道壓力損失的情況下，由靜力平衡原理，P腔壓力會(huì)比最高負(fù)載壓力高一個(gè)彈簧力的壓力，在滿足系統(tǒng)需要壓力和流量的情況下，多余的流量可通過(guò)三通壓力補(bǔ)償閥芯卸荷。在這個(gè)過(guò)程中，P腔壓力與最高負(fù)載壓力之差基本保持恒定，因此在比例閥開(kāi)度一定的情況下，可以確保流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量基本恒定。

(3) 通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)螺釘可以調(diào)整壓力彈簧的預(yù)壓縮量，從而調(diào)整三通壓力補(bǔ)償閥的卸荷壓力。當(dāng)卸荷壓力較低時(shí)，比例換向閥的流量增益較低，當(dāng)卸荷壓力較高時(shí)，比例換向閥的流量增益較高，從而可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)最大流量的控制。

圖3 整閥液壓原理簡(jiǎn)化圖

圖4 壓力補(bǔ)償閥芯裝配示意圖

1.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 進(jìn)出油口直徑

進(jìn)出油口直徑d滿足公式[17]

(1)

式中Qg為最大流量(L/min)，Vg為進(jìn)出油口直徑d處油液流速(m/s)。取Qg=400L/min，Vg=14m/s，代入式(1)，得

(2)

取d=25mm，即進(jìn)出油口直徑為25mm。

1.2.2 主閥芯直徑

閥芯大直徑D和小直徑d從強(qiáng)度考慮，需滿足d≥D/2。通過(guò)閥芯與閥體間環(huán)行通道的流量為

(3)

若取d=D/2，Q=Qg=400L/min，代入式(3)，可得：

(4)

考慮產(chǎn)品零件以及加工工藝的通用性和一致性，取D=25mm，則

(5)

取d=13mm。

2 仿真研究

2.1 仿真模型搭建

根據(jù)新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥的結(jié)構(gòu)原理，利用AMESim中的HCD庫(kù)搭建相應(yīng)的仿真模型，如圖5中的元件3所示。結(jié)合其它零部件的結(jié)構(gòu)原理，可搭建LUDV多路閥系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。仿真模型各零部件的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1-安全閥 2-LS口阻尼孔 3-新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥 4-液壓缸 5-二通壓力補(bǔ)償閥 6-多路閥主閥口 7-定量泵 圖5 負(fù)載敏感多路閥壓力補(bǔ)償系統(tǒng)仿真圖 表1 仿真參數(shù)設(shè)置

序號(hào)參數(shù)設(shè)定值1安全閥調(diào)定壓力35(MPa)2三通壓力補(bǔ)償閥閥芯質(zhì)量0.63(kg)3三通壓力補(bǔ)償閥閥芯直徑25(mm)4三通壓力補(bǔ)償閥彈簧預(yù)緊力900(N)5三通壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度94.8(N/mm)6三通壓力補(bǔ)償閥右控制腔阻尼孔直徑1.2(mm)7多路閥主閥口最大開(kāi)口量14.5(mm)8二通壓力補(bǔ)償閥閥芯質(zhì)量0.5(kg)9二通壓力補(bǔ)償閥閥芯直徑25(mm)10負(fù)載油缸活塞直徑40(mm)

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 閥芯錐角對(duì)卸荷壓力的影響

新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥閥芯結(jié)構(gòu)如圖6所示，結(jié)合圖4所示的閥芯裝配示意圖，可以看出閥芯在P-T1處存在長(zhǎng)度為1mm的錐角。該錐角直接影響閥口面積梯度，對(duì)三通壓力補(bǔ)償閥的性能有重要影響。

圖6 補(bǔ)償閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

為了研究閥芯錐角對(duì)三通壓力補(bǔ)償閥卸荷壓力的影響，分別設(shè)置閥芯錐角為20°、25°、30°、35°、40°、45°，長(zhǎng)度均為1mm；設(shè)置系統(tǒng)供油流量在30s內(nèi)從0L/min線性增加到400L/min。利用AMESim中的批處理仿真功能，可得到不同錐角下的流量-卸荷壓力曲線，如圖7所示。

圖7 不同錐角下流量-卸荷壓力曲線圖

從圖7可知，在同一錐角下，隨著流量的增大，系統(tǒng)卸荷壓力逐漸升高，但升高幅度逐漸降低。曲線上存在一個(gè)拐點(diǎn)，因在該點(diǎn)處另外一個(gè)閥口開(kāi)啟溢流。在不同錐角下，當(dāng)系統(tǒng)工作流量達(dá)到400L/min時(shí)，三通壓力補(bǔ)償閥閥芯錐角角度越大，閥芯開(kāi)啟壓力波動(dòng)就越大，系統(tǒng)卸荷壓力也越大，無(wú)法達(dá)到節(jié)能的效果。但是，若錐角角度越小，在小流量處的壓力隨流量變化的增益越大。由于在多路閥主閥開(kāi)度最大時(shí)，從三通壓力補(bǔ)償閥處溢流的流量最小，該工作點(diǎn)處無(wú)法維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力，綜合考慮，取錐角為30°，此時(shí)系統(tǒng)全流量卸荷時(shí)卸荷壓力約為2.76MPa。

2.2.2 調(diào)壓彈簧剛度對(duì)卸荷壓力的影響

調(diào)壓彈簧影響著三通壓力補(bǔ)償閥的動(dòng)作和性能，和其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。為了研究調(diào)壓彈簧剛度對(duì)三通壓力補(bǔ)償閥卸荷壓力的影響，分別設(shè)置調(diào)壓彈簧剛度為50N/mm、60N/mm、70N/mm、80N/mm、90N/mm、100N/mm，調(diào)壓彈簧預(yù)緊力為900N；設(shè)置系統(tǒng)供油流量在30s內(nèi)從0L/min線性增加到400L/min。利用批處理仿真功能，進(jìn)行壓力補(bǔ)償系統(tǒng)仿真，可得到不同調(diào)壓彈簧剛度下的流量-卸荷壓力曲線，如圖8所示。

從圖8可知，在一定范圍內(nèi)，調(diào)壓彈簧剛度越大，系統(tǒng)的卸荷壓力越大。故減小調(diào)壓彈簧的剛度大小，有利于降低系統(tǒng)的卸荷壓力，減小能量損失。但是，為了使得多路閥主閥開(kāi)口達(dá)到最大時(shí)，輸出流量能達(dá)到400L/min，最終設(shè)計(jì)的彈簧剛度為94.8N/mm。

圖8 不同剛度下流量-卸荷壓力曲線圖

2.2.3 補(bǔ)償特性

在壓力補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型中，首先設(shè)置負(fù)載壓力恒定為15MPa，持續(xù)0.15s；然后從15MPa階躍變化到30MPa，持續(xù)0.1s；最后從30MPa階躍變化到0MPa。多路閥主閥口的度在剛開(kāi)始的0.15s內(nèi)從0變到最大，可得到負(fù)載變化時(shí)P-LS壓力跟隨特性曲線，如圖9所示。從仿真結(jié)果可以看出，三通壓力補(bǔ)償閥入口壓力跟隨負(fù)載壓力變化響應(yīng)快，無(wú)明顯超調(diào)，且始終能保持系統(tǒng)的供油壓力僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)定值。由此可得出結(jié)論：所設(shè)計(jì)的新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥具有較好的負(fù)載壓力跟隨特性，即壓力補(bǔ)償特性良好。

圖9 負(fù)載變化時(shí)P-LS壓力跟隨特性曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥具有較好的壓力卸荷特性及壓力補(bǔ)償特性，利用多路閥綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖10所示。

1-回油過(guò)濾器 2-冷卻器 3-流量傳感器 4-測(cè)壓接頭 5-多路閥連接塊 6-單0向閥 7-節(jié)流閥 8-多路閥換向塊 9-壓力表 10-溢流閥 11-減壓閥 12-過(guò)濾器 13-電機(jī) 14-定量泵 15-避震喉 16-蝶閥 17-補(bǔ)油泵 圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

3.2 卸荷壓力特性實(shí)驗(yàn)

三通壓力補(bǔ)償閥卸荷壓力隨系統(tǒng)流量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，當(dāng)流量達(dá)到420L/min的卸荷流量時(shí)，其卸荷壓力也僅為2.8MPa。滿足卸荷流量400L/min時(shí)卸荷壓力低于3MPa的設(shè)計(jì)要求，具有較低的卸荷壓力，降低大流量工況下的能耗，符合主機(jī)液壓系統(tǒng)的要求。

3.3 補(bǔ)償特性實(shí)驗(yàn)

圖12為負(fù)載流量變化時(shí)p-LS壓力跟隨特性測(cè)試曲線?？梢钥闯?，多路閥工作時(shí)，該三通壓力補(bǔ)償閥保持了良好的負(fù)載壓力跟隨特性，使系統(tǒng)的供油壓力始終保持比負(fù)載壓力高2.7MPa向系統(tǒng)供油，提高系統(tǒng)能量利用率。

圖11 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流量-卸荷壓力特性實(shí)驗(yàn)

圖12 執(zhí)行器流量變化時(shí)p-LS壓力跟隨特性測(cè)試曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行理論計(jì)算、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

(1) 采用單通道雙溢流型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，達(dá)到在卸荷流量400L/min時(shí)卸荷壓力低于3MPa的設(shè)計(jì)要求，滿足50～135T及履帶式起重機(jī)等工程機(jī)械定量泵液壓系統(tǒng)的使用需求。

(2) 三通壓力補(bǔ)償閥閥芯錐角和彈簧剛度對(duì)卸荷壓力有重要影響。在一定的工作流量下，錐角越小，彈簧剛度越小，系統(tǒng)卸荷壓力也越小，系統(tǒng)能耗降低。

(3) 大流量工況下，負(fù)載壓力變化時(shí)，新型大流量三通壓力補(bǔ)償閥具有良好的負(fù)載壓力跟隨特性，使系統(tǒng)的供油壓力僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)定值，提高系統(tǒng)能量利用率。

[1] 牛越勝, 張圣峰, 徐兵等. LVDV多路閥中壓力補(bǔ)償閥的仿真分析. 機(jī)電工程, 2011,28(08): 914-915

[2] Luo Y, Qiu X, Chen L. Simulation analysis on the flow fields of the pressure compensated valve in the multi-passage valve based on fluent.MachineTool&Hydraulics, 2012, 40(21):146-150

[3] 白玉珠, 羅艷蕾. 多路閥出口壓力補(bǔ)償閥特性分析. 煤礦機(jī)械, 2012, 33(04): 104-106

[4] 夏慶超. 某系列負(fù)載敏感比例多路閥靜動(dòng)態(tài)特性研究：[碩士學(xué)位論文]. 秦皇島：燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2013. 1-9

[5] 孫偉. 負(fù)載敏感多路閥設(shè)計(jì)及仿真研究:[碩士學(xué)位論文]. 湘潭：湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2013. 1-10

[6] 毛智勇. 三通壓力補(bǔ)償閥的設(shè)計(jì)與研究. 液壓與氣動(dòng), 2011, 03: 15-16

[7] 李新福, 陳倫軍, 羅艷蕾等. 定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中三通壓力補(bǔ)償器特性仿真分析. 機(jī)床與液壓, 2013, 41(07): 172-174

[8] S?rensen J K, Michael R. Hansen & Morten K. Novel concept for stabilizing a hydraulic circuit containing counterbalance valve and pressure compensated flow supply.InternationalJournalofFluidPower, 2016, 17(03):153-162

[9] 劉會(huì)永, 劉宗紅, 牟東等. 壓力補(bǔ)償器在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用. 煤礦機(jī)械, 2010, 31(6): 170-172

[10] 王寶琳. 負(fù)載敏感和壓力補(bǔ)償技術(shù)在高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用. 中國(guó)修船, 2009, 22(4): 6l-62

[11] Tita I, Mardare I. Research regarding pressure compensated flow control valves.AppliedMechanics&Materials, 2015, 809: 992

[12] Russ H. The evolution of load-sensing hydraulics.DieselProgressEngine&Drives, 1998, 17(4): 53-55

[13] 紀(jì)緒. 大噸位履帶起重機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究：[博士學(xué)位論文]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 2013. 1-15

[14] 羅艷蕾, 白華, 白玉珠. 定量泵系統(tǒng)中多路閥出口壓力補(bǔ)償特性的仿真研究. 煤礦機(jī)械, 2011, 32(09): 58-61

[15] 徐啟楊, 陳業(yè), 曾明波. 大流量壓力補(bǔ)償器在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用. 液壓氣動(dòng)與密封, 2013，08: 63-64

[16] 葉小華, 岑豫皖, 王愛(ài)國(guó). 大流量進(jìn)口壓力補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)與仿真研究. 機(jī)床與液壓, 2011, 39(19): 61-62

[17] 李壯云, 賀小峰, 萬(wàn)會(huì)雄. 液壓元件與系統(tǒng). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011. 206-208

Design and research of new large flow three-way pressure compensation valves

Ai Chao***, Lin Jiacheng*, Kong Xiangdong* ****, Zhao Xiaolong*

(*Hebei Province Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Qinhuangdao 066004) (**Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University),Ministry of Education of China, Qinhuangdao 066004) (***State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Hangzhou 310027)

In the view of the problem that the flow in the pressure compensation valve of the LUDV multi-way valve of a constant hydraulic pump system is low, a new large flow energy-saving pressure compensation valve was designed by theoretical calculation. The valve contains a main channel and two overflow channels. Through the AMESim simulation and experiments, the good unloading pressure characteristic and the good pressure compensation characteristic in large flow working conditions of the new large flow three-way pressure compensation valve were verified. The flow of the new valve can reach 400 L/min and the unloading pressure can be reduced to 3MPa.Thus, the new valve meets the requirements of LUDV multi-way valves in quantitative pump hydraulic systems of construction machinery. The new large flow three-way pressure compensation valve makes an important contribution to the further research on multi-way valves.

three-way, pressure compensation, constant hydraulic pump system, large flow, LUDV multi-way valve

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.05.010

①浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(GZKF-201403)和2015年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程國(guó)內(nèi)公開(kāi)招標(biāo)(TC150B5C0-29)資助項(xiàng)目。

2016-03-07)>

②男，1982年生，博士，講師；研究方向：流體傳動(dòng)及控制；E-mail: aichao@ysu.edu.cn****林加城*孔祥東③

③通訊作者，E-mail: xdkong@ysu.edu.cn