超高壓卸壓閥的卸壓特性分析

劉創(chuàng)勛，張建華，孫曉盼，毛海濤，姜 豪，李 盟

（鄭州華晶金剛石股份有限公司，鄭州 450001）

1 前言

液壓傳動(dòng)具有平穩(wěn)、靈活、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍很廣，其中超高壓是其重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。超高壓技術(shù)在航天航空復(fù)合材料、陶瓷、軍工特種材料、人造金剛石合成等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，這些應(yīng)用領(lǐng)域要求壓力容器內(nèi)的壓力按工藝要求實(shí)現(xiàn)以平滑曲線的方式緩慢卸壓，卸壓過快很容易引起安全生產(chǎn)問題，增加生產(chǎn)成本，因此如何嚴(yán)格控制卸壓速度就成了高壓領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。在超高壓系統(tǒng)卸壓速度控制中，卸壓閥在整個(gè)卸壓系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，微小的流量變化或不同的閥芯結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)卸壓系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響，所以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，對(duì)于超高壓卸壓閥的性能有著嚴(yán)格的要求。對(duì)于超高壓系統(tǒng)的卸壓，壓力變化范圍很大，變化幅度達(dá)到百兆帕，所以卸壓速度會(huì)難以保持平穩(wěn)，會(huì)造成液壓系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，不但降低液壓系統(tǒng)的使用壽命，而且還會(huì)帶來(lái)安全隱患，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，必須對(duì)卸壓速度進(jìn)行切實(shí)有效的控制［1］。

目前國(guó)內(nèi)外超高壓卸壓閥一般采用節(jié)流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)超高壓容器內(nèi)的壓力釋放，通過閥門結(jié)構(gòu)的節(jié)流效應(yīng)，使得超高壓容器內(nèi)的液壓油經(jīng)閥門卸流，從而降低容器內(nèi)的油壓力。在超高壓系統(tǒng)中，影響卸壓速率的因素主要有以下三個(gè)：（1）超高壓容器體積。超高壓容器的體積越大，內(nèi)部被壓縮的液體量就越大，需要通過超高壓卸壓閥排出的油體就越多；（2）超高壓卸壓閥的節(jié)流口。卸壓閥的節(jié)流口直接關(guān)系著卸壓速度的大小；（3）超高壓容器內(nèi)的壓力。在低壓系統(tǒng)中，卸壓閥前后的壓力差直接決定了卸壓閥的流通能力，壓力差越大，流體能力越大，反之越小。但在超高壓系統(tǒng)中，由于液壓油的動(dòng)力黏度隨壓力的增大而有指數(shù)增大的變化，因此在超高壓系統(tǒng)中卸壓速度與低壓系統(tǒng)不同，特別是對(duì)于高壓快速運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，更應(yīng)合理選擇卸壓過程，使其達(dá)到最佳卸壓過程，以保持設(shè)備完好，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

2 超高壓卸壓閥的卸壓原理

在高壓環(huán)境下進(jìn)行卸壓，平穩(wěn)、安全是必須的條件，液壓系統(tǒng)內(nèi)的高壓油液經(jīng)卸壓閥卸流，從而降低液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，但是在超高壓環(huán)境下卸壓，高壓油液卸流速度極快，卸壓速度和卸壓精度不易控制，閥芯極易被破壞，從而影響使用，所以對(duì)超高壓卸壓閥的閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和閥芯材料的選擇有很高的要求［2］。

目前國(guó)內(nèi)外常用的超高壓卸壓閥都屬于二位二通液壓控閥件，通過固定的節(jié)流孔調(diào)節(jié)卸壓速度，但不能實(shí)現(xiàn)對(duì)卸壓速度的連續(xù)可調(diào)和對(duì)卸壓速度的精確可控。為此設(shè)計(jì)了一種卸壓功能與保壓功能結(jié)構(gòu)分離的超高壓卸壓閥，此種超高壓卸壓閥能夠在很大程度上解決上述問題，如圖1所示，當(dāng)柱形閥芯關(guān)閉進(jìn)油口時(shí)，閥體可以起安全穩(wěn)定的保壓功能；高壓油液進(jìn)入閥體后，首先經(jīng)過柱形閥芯，使高壓油液產(chǎn)生一次節(jié)流，然后閥體內(nèi)部Z型輸油管道可對(duì)高壓油液再次進(jìn)行節(jié)流，進(jìn)入到針形閥芯前端，通過過油孔進(jìn)行卸壓，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)卸壓，分級(jí)卸壓可減小每級(jí)卸壓的壓差，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)卸壓；柱形閥芯使用安全可靠，保壓階段可保護(hù)針形閥針不受壓，且當(dāng)針形閥芯產(chǎn)生損壞時(shí)，閥體的保壓作用不會(huì)喪失，還可以進(jìn)行持續(xù)有效的保壓，并能繼續(xù)進(jìn)行柔性卸壓［3］。閥芯在超高壓差下運(yùn)行時(shí)容易損壞，一方面是由于油液黏性摩擦引起燒蝕破壞，另一方面還由于油液的高速流動(dòng)產(chǎn)生高速?zèng)_擊破壞［4］，為提高卸壓閥的使用壽命，針形閥芯材料可選擇具有良好的耐磨性與接觸疲勞性能的GCr15。

圖1 卸壓閥體結(jié)構(gòu)1．進(jìn)油口 2．出油口 3．彈簧 4．針形閥芯 5．螺桿6．螺堵 7．堵頭 8．柱形閥芯Fig．1 Structure of the pressure relief valve

在保壓階段，柱形閥芯處于封堵進(jìn)油口的位置，使液壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)有效的保壓功能；在卸壓階段，電磁閥控制柱形閥芯使柱形閥芯移動(dòng)，進(jìn)油口打開，高壓油液能夠從進(jìn)油口進(jìn)入高壓卸壓閥內(nèi)部，通過閥體內(nèi)部通道進(jìn)入到針形閥針前端的過油孔中，與此同時(shí)，控制器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)輸出端與螺桿相連，通過旋轉(zhuǎn)使螺桿產(chǎn)生前進(jìn)或后退的軸向位移；針形閥芯依靠自身與螺堵之間被壓縮的彈簧的張力，隨著螺桿的軸向移動(dòng)而移動(dòng)，使針形閥芯的針形端被封堵、打開過油孔，從而使高壓油液從針型端與過油孔間的環(huán)形間隙流出，環(huán)形間隙如圖2所示；最后高壓油液從出油口流出閥體，完成卸壓過程。

圖2 環(huán)形間隙圖1．閥座 2．針形閥芯針形端 3．環(huán)形間隙Fig．2 Annular gap

如圖3所示，超高壓卸壓閥的過油孔孔口處設(shè)有倒角，閥針針形端的錐面與該倒角斜面為面接觸，根據(jù)檢測(cè)液壓系統(tǒng)高壓油液實(shí)時(shí)壓力與預(yù)設(shè)值之間的差值，控制器實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制閥針在閥芯腔中的軸向位置，即隨時(shí)調(diào)節(jié)針型端與過油口之間形成的環(huán)形空隙的面積，此環(huán)形空隙就是高壓油的卸壓通道，通過調(diào)節(jié)此通道截面面積就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卸壓速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，滿足不同液壓系統(tǒng)所需要的卸壓功能。

圖3 圓錐環(huán)狀環(huán)形間隙示意圖1．閥針針形端 2．閥座 3．過油孔Fig．3 Sketch of conical annular ring gap

3 卸壓理論分析

液壓系統(tǒng)控制的超高壓容器在進(jìn)行壓力加工時(shí)，工作缸和部分液壓系統(tǒng)保持著很高的壓力，由工作缸和部分承受高壓的液壓管路組成的高壓容腔由于油液的壓縮及管路的彈性變形，貯存了相當(dāng)一部分能量，處于高能狀態(tài)，工作壓力越高，高壓容腔越大，貯存的能量就越多。通過對(duì)液壓機(jī)工作時(shí)所貯存的彈性能分析可知，液壓油壓壓縮所貯存能量高達(dá)全部彈性能的95%左右［5－6］，完成加工工序后進(jìn)入回程階段時(shí)，都要先釋放掉保持在高壓腔的液壓能，該釋放過程即為卸壓過程，卸壓時(shí)高壓油液經(jīng)由環(huán)形間隙流出，通過改變高壓油液的卸流截面進(jìn)而調(diào)節(jié)卸壓速度。

在理論分析前，本文做出以下假設(shè)：

a．流體在超高壓下，其分子結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，即流體仍保持原化學(xué)、物理特性；

b．流體的體積彈性系數(shù)不隨壓力、溫度變化，即在卸壓過程中體積彈性系數(shù)E為常數(shù)；

c．卸壓閥上游段直至容器內(nèi)的液體溫度，在卸壓過程中無(wú)顯著變化。

某一時(shí)刻閥針針形端與過油孔間的關(guān)系如圖3所示，兩者之間形成圓錐狀環(huán)形間隙，則其流量公式［5］為：

式中：Q為一定時(shí)間內(nèi)通過圓錐狀環(huán)形間隙的流量；h為間隙寬度；μ為油液黏度；r1為過油孔直徑；r2為倒角外圈直徑；Δp為一定時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)壓降。

間隙寬度h與針形閥針的軸向位移l有關(guān)，針形閥針產(chǎn)生前進(jìn)或后退的軸向位移，那么間隙寬度h就會(huì)隨之減小或變大，間隙寬度h與閥針軸向位移l的關(guān)系為：

在超高壓環(huán)境下，油液被極大程度地壓縮，根據(jù)公式：

式中：E為高壓油液的彈性模量；

Q1－Q2為一定時(shí)間內(nèi)通過某一截面的流量；

V為腔室體積；

Δp／Δt為卸流精度。

在超高壓狀態(tài)下，液體的彈性模量基本不發(fā)生變化，即在本文中E取恒定值，V為液壓系統(tǒng)中壓縮油液所占的腔室體積，具體包括液壓缸后腔與管道腔的體積。

該超高壓卸壓閥的卸壓過程要求平穩(wěn)，具有無(wú)級(jí)線性變速的特點(diǎn)，即：

經(jīng)理論分析，聯(lián)立公式（1）、（2）、（4）可得到流量隨時(shí)間的變化規(guī)律：

將流量隨時(shí)間的變化規(guī)律在Matlab上編程得出兩者變化關(guān)系曲線，如圖4所示：

圖4 流量－時(shí)間曲線Fig．4 Curve of flow－time

由圖4可知，在卸壓初始階段，油液壓力極高，在極高的壓力下，高壓油液的黏度很大，是正常壓力下油液黏度的百倍以上，高黏度大大降低了卸壓速度，使得卸壓流量較小，隨著卸壓的進(jìn)行，油液壓力降低，油液的黏度快速減小，卸壓流量快速升高。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，剛開始卸壓的瞬間，由于油液壓力極大，流速極高，高壓慢卸極難控制，若此刻的卸壓精度能夠得到較好的控制，則整個(gè)卸壓過程就能很容易地得到精確控制，聯(lián)立公式（3）、（5），得到：

該超高壓卸壓閥已經(jīng)在我公司六面頂壓機(jī)上應(yīng)用，并且得到驗(yàn)證，可以達(dá)到較好的控制精度。液壓系統(tǒng)壓力變化范圍為0～80MPa，液壓系統(tǒng)使用68＃抗磨液壓油，彈性模量為1200～1400MPa，在卸壓初始階段，油腔壓強(qiáng)為80MPa，將閥體的結(jié)構(gòu)參數(shù)等帶入公式（6），得出控制精度為該精度能夠滿足液壓系統(tǒng)卸壓的使用需求。

實(shí)際生產(chǎn)中，通過設(shè)定卸壓工藝曲線，控制器傳遞給步進(jìn)電機(jī)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)打開卸壓閥，系統(tǒng)開始卸壓，壓力傳感器通過檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際壓力，計(jì)算機(jī)將實(shí)際壓力和工藝設(shè)定的壓力做比較，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)地打開卸壓閥或關(guān)閉卸壓閥的動(dòng)作，從而使實(shí)際卸壓速度無(wú)限地與設(shè)定速度同步（由于信號(hào)采集傳輸?shù)诫姍C(jī)執(zhí)行會(huì)有一定的時(shí)間差，所以不會(huì)和設(shè)定速度完全一樣），最高的精度能達(dá)到與設(shè)定壓力誤差在±0．02MPa／s之內(nèi)，實(shí)際卸壓曲線（白色）與設(shè)計(jì)卸壓曲線（綠色）基本重合，能夠達(dá)到理想效果，完全符合實(shí)際使用要求，實(shí)際使用效果如圖5所示：

該卸壓閥采用獨(dú)特的卸壓結(jié)構(gòu)，使卸壓更加平穩(wěn)，卸壓過程中可根據(jù)工藝需求隨時(shí)實(shí)現(xiàn)保壓、卸壓，徹底改變了以往的階梯式卸壓和分級(jí)卸壓的模式，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的柔性線性卸壓，提高了生產(chǎn)安全性。

圖5 生產(chǎn)卸壓曲線Fig．5 Curve of pressure relief on production

3 結(jié)論

（1）該超高壓卸壓閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，在實(shí)際生產(chǎn)中能夠改善油液的流動(dòng)狀況，降低閥門受沖擊磨損的程度，且能夠?qū)崿F(xiàn)保壓卸壓功能的分離，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)卸壓調(diào)節(jié)。

（2）該超高壓卸壓閥卸壓精度高，在高壓慢卸階段能夠達(dá)到0．02MPa／s，并且整個(gè)液壓系統(tǒng)的卸壓易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的卸壓功能。

［1］ 潘晨．高壓容腔卸壓過程分析與新型卸壓閥的設(shè)計(jì)［D］．太原理工大學(xué)，2012．4．

［2］ 王孝琪，薛蛟生．一種超高壓伺服卸壓閥［P］．鄭州磨料模具磨削研究所，2016．8．

［3］ 張建明，朱哲新，等．高精度超高壓卸壓閥流體力學(xué)分析［J］．液壓與氣動(dòng)，2012（11）．

［4］ 應(yīng)啟戛，沈昱明．超高壓卸壓閥卸壓特性研究［J］．上海機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，12（1）．

［5］ 姚平喜．液壓機(jī)油壓與節(jié)能的關(guān)系［J］．鍛壓機(jī)械，1991（3）．

［6］ 劉新，姚平喜．高壓容腔的卸壓過程分析［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2011（5）．

［7］ 左建民．液壓與氣壓傳動(dòng)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．5．