帶壓力反饋式流量放大閥流量特性分析

蔡 錚，張 建，馮貽江，許伯超

（1. 浙江高宇液壓機(jī)電有限公司，浙江 臨海 317000；2. 天津工程機(jī)械研究院有限公司，天津 300409）

轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)是裝載機(jī)中最為重要的系統(tǒng)之一，它直接影響整機(jī)的安全性、作業(yè)效率、能源消耗及操作舒適性［1-2］。流量放大閥在大中型裝載機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。流量放大閥將轉(zhuǎn)向器輸出的先導(dǎo)控制流量按照一定的放大比例進(jìn)行流量及功率放大，控制裝載機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運動。它具有能合理利用系統(tǒng)功率的優(yōu)點，并且操縱平穩(wěn)輕便、結(jié)構(gòu)緊湊，已成為當(dāng)前轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展的主流方向［3-4］。但是目前裝載機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在下述弊端：非轉(zhuǎn)向工況下，裝載機(jī)液壓系統(tǒng)存在高壓溢流，系統(tǒng)能耗大、溫升高，工作效率降低；起動時刻振動、爬行振動、停止時刻振動等問題，導(dǎo)致裝載機(jī)操作舒適性較差，同時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在高低轉(zhuǎn)速不一致的問題；裝載機(jī)在高速行走時出現(xiàn)轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”等問題。

針對裝載機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)存問題，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)開發(fā)了新型的帶反饋式流量放大閥［5-6］，可基本解決上述問題。本文針對該型號流量放大閥，通過仿真計算，分析其在變轉(zhuǎn)速情況下的工作特性，并針對存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的工作性能。

1 流量放大閥結(jié)構(gòu)組成與工作原理

該流量放大閥工作原理圖如圖1所示，主要由主滑閥和三通流量補償閥兩部分組成，圖2是流量放大閥的結(jié)構(gòu)圖。在主滑閥閥芯內(nèi)部設(shè)置有負(fù)載敏感LS通道，將三通流量補償閥彈簧腔與工作腔A/B接通。當(dāng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動時，主滑閥閥芯往左/右換向，先導(dǎo)級控制口的負(fù)載壓力通過負(fù)載敏感LS通道傳遞到三通流量補償閥彈簧腔，補償閥保持主滑閥閥芯節(jié)流槽前后壓差恒定，從而使得輸出流量只取決于主滑閥閥芯節(jié)流槽的開度，實現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向。

圖1 流量放大閥工作原理圖

圖2 流量放大閥結(jié)構(gòu)圖

2 流量放大閥仿真模型建立

2.1 模型建立

運用AMESim軟件搭建了流量放大閥的仿真計算模型，其中用HCD庫搭建了流量放大閥中的滑閥閥芯及補償閥閥芯，補償閥PF出口通向工作系統(tǒng)。在這里用比例溢流閥來簡化替代工作系統(tǒng)的負(fù)載，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過機(jī)械庫及平面機(jī)構(gòu)庫來搭建，先導(dǎo)控制流量放大閥閥芯的轉(zhuǎn)向器用小流量液壓泵來替代，最終搭建的流量放大閥仿真計算模型如圖3所示。

圖3 流量放大閥仿真計算模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

通過非全周開口滑閥閥口面積計算軟件［7］計算出滑閥及補償閥中各閥口的過流面積，各過流面積曲線如圖4和圖5所示，將面積參數(shù)保存為文本格式，導(dǎo)入到圖3所建立的計算模型中。

圖4 滑閥各閥口面積曲線

圖5 補償閥各閥口面積曲線

計算模型中其他各參數(shù)設(shè)置：

液壓泵排量 60ml·r-1；

液壓泵轉(zhuǎn)速 2000r·min-1；轉(zhuǎn)向負(fù)載壓力 8MPa；

工作負(fù)載壓力 5MPa；

轉(zhuǎn)向器排量 125ml·r-1。

3 計算結(jié)果分析

參設(shè)置轉(zhuǎn)向器從第2s開始，在接下來10s內(nèi)其轉(zhuǎn)速從0線性增大到70r/min，仿真時間設(shè)置15s，時間步長取0.01s，計算流量放大閥在不同轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速下的工作特性，結(jié)果如圖6所示。

在圖6中，圖（a）為滑閥閥芯位移隨轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速為2r/min時，滑閥開始運動，而在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速從2～5r/min之間，閥芯位移迅速增大到2.4mm左右，在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速達(dá)到65r/min時，滑閥閥芯達(dá)到最大值。從圖（c）中可以看到，在這一階段閥芯運動速度出現(xiàn)峰值，最大可達(dá)9.5mm/s，同樣其加速度在這一階段也存在從-500～700mm/s2這樣較大幅度的波動，在這一階段CF口的流量。從圖（b）中可以看出，在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速達(dá)到4r/min時，CF口開始有流量輸出，在開始階段流量同樣增幅較快，隨后變化較平緩，在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速達(dá)到65r/min時，流量達(dá)到最大值120L/min。

圖6 流量放大閥變轉(zhuǎn)速計算結(jié)果

從上述分析可知，在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速時，流量放大閥中的滑閥閥芯運動速度、加速度波動較大，閥芯位移增幅較快，進(jìn)而導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速時CF口流量變化較快，流量放大閥操作過于敏感。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及計算分析

上述計算分析流量放大閥在轉(zhuǎn)向器不同轉(zhuǎn)速下的工作特性及存在的主要問題，而通過結(jié)構(gòu)圖1可以看出，轉(zhuǎn)向器輸出流量對流量放大閥的滑閥閥芯運動控制規(guī)律主要取決于滑閥先導(dǎo)口的閥口面積大小及梯度變化規(guī)律，所以通過重新設(shè)計先導(dǎo)口的閥口形式來解決上述問題。

原結(jié)構(gòu)中的先導(dǎo)口采用的是2個K型節(jié)流槽，密封行程1.7mm，如圖7（a）所示，改進(jìn)方案采用K+V的結(jié)構(gòu)形式，密封行程改為1mm，如圖7（b）所示。原結(jié)構(gòu)及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)口過流面積如圖8所示。

圖7 滑閥先導(dǎo)口改進(jìn)前后閥口結(jié)構(gòu)

圖8 先導(dǎo)口閥口面積曲線

將改進(jìn)后的閥口面積參數(shù)同樣保存為文本格式，導(dǎo)入到圖3中的計算模型中，計算流量放大閥在不同轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速下的工作特性，結(jié)果如圖9所示。

圖9 改進(jìn)前后流量放大閥變轉(zhuǎn)速計算結(jié)果

在圖9中，圖（a）為改進(jìn)前后滑閥閥芯位移隨轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖中可以看出，與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后閥芯在低轉(zhuǎn)速時位移雖然也存在較快的增加，但增加量明顯減小，在隨后隨著轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速增加，其位移逐漸增加，但其斜率整體呈減小趨勢。從圖（c）的閥芯速度中可以看到，速度峰值從改進(jìn)前的9.5mm/s降到6.5mm/s，降低了31%。而在圖（d）的加速度曲線中可以看出，閥芯加速度峰值從700mm/s2降低到了400mm/s2，從改進(jìn)前后的閥芯運動速度及加速度變化中可以得出，改進(jìn)后閥芯在轉(zhuǎn)向器逐漸增大過程中要運動相對平穩(wěn)很多。在圖（b）的流量曲線中可以明顯發(fā)現(xiàn)，同樣在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速達(dá)到4r/min時CF口開始有流量輸出，但在開始階段流量不存在突變，一直平緩增加，增加速率先增大后減小，在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速達(dá)到65r/min時，流量達(dá)到最大值120L/min。所以與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速操作性能上有明顯改善。

5 結(jié)束語

本文通過AMESim仿真軟件搭建了裝載機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中流量放大閥的計算模型，計算了流量放大閥在轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)速逐漸增大過程中的工作特性。計算結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速時，流量放大閥中的滑閥閥芯運動速度、加速度波動較大，閥芯位移增幅較快，進(jìn)而導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速時，CF口流量變化較快。通過對流量放大閥中先導(dǎo)控制節(jié)流槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效減小了流量放大閥在轉(zhuǎn)向器低轉(zhuǎn)速時的流量突變問題。