PQ10型比例壓力流量復合閥的設計計算

賀 軍

（包鋼鋼聯(lián)股份有限公司鋼管公司，內(nèi)蒙古 包頭014010）

PQ閥是通過改進閥內(nèi)設計，將壓力控制和流量控制有機地結(jié)合在同一閥塊內(nèi)，即將比例溢流閥和比例節(jié)流閥組合成一個復合閥，既可對系統(tǒng)壓力進行比例調(diào)節(jié)，又可對輸出流量進行比例控制，當然，兩種參數(shù)的比例調(diào)節(jié)是在不同工況下實現(xiàn)的。比例溢流閥的主閥同時在復合閥中兼作三通壓力補償器，為比例節(jié)流閥進行壓力補償，從而獲得較穩(wěn)定的流量。它以很小的壓差追蹤負荷壓力，控制泵壓力，消耗電力小，是節(jié)能式進口節(jié)流控制流量閥，本文以PQ10-20/140-125為例進行闡述，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

1 P Q閥工作原理

如圖1所示，當比例電磁鐵7、14斷電時，節(jié)流閥芯16在壓力彈簧18的作用下處于關閉位置，沒有流量流向A腔，P腔壓力油全部從壓力控制閥芯4的錐口處流到T腔，此時系統(tǒng)只有低壓的溢流損失，而沒有節(jié)流能耗。當系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)流量工況時，分別給比例壓力先導閥的電磁鐵7和比例節(jié)流閥的電磁鐵14輸入一恒定的額定電信號，比例電磁鐵14為行程控制型比例電磁鐵，其工作行程比較長，對應不同的電信號，銜鐵產(chǎn)生相應的位移，從而使節(jié)流閥芯移動產(chǎn)生相應的開口量，壓力油通過節(jié)流口從P腔流到A腔，同時，A腔的壓力油同過通道17，阻尼孔19作用在壓力閥芯4的上端并經(jīng)阻尼孔15、通道13、阻尼孔12分別作用在比例先導閥和安全閥的錐閥芯上。當系統(tǒng)壓力在低于比例壓力先導閥的額定壓力范圍變化時，比例壓力先導閥芯10處于關閉狀態(tài)。此時，PQ閥的比例壓力閥在此工況下只起限壓閥作用。壓力閥芯的上下腔有效作用面積一致，假設壓力閥芯有效作用面積為S，P腔壓力為PP，A腔壓力為PA，壓力彈簧3剛度和初始壓縮量分別為K、X0.在忽略摩擦力、液動力的情況下描述如下：

（PP-PA）·S＜K·X 的情況下為壓力閥芯的關閉狀態(tài)。

（PP-PA）·S＜K·X 或者（PP-PA）·S ＝ K·（X+X0）的狀態(tài)下為壓力閥芯的工作狀態(tài)。一部分壓力油通過壓力閥芯從T腔流回油箱，該工作原理與普通的流量閥回路中設置的溢流閥的作用相同，主閥的前后壓差為：

（PP-PA）＝ K·（X+X0）/S

因為X0遠大于X，所以

（PP-PA）＝ K·X0/S ＝ 常數(shù)……（0.5～0.7 MPa）

因此，負載壓力PA升高或降低時，壓力控制閥芯的上腔壓力隨著上升或下降，溢流閥口隨著關小或開大，系統(tǒng)壓力PP也著上升或下降，從而保證節(jié)流閥口的前后壓差基本不變，因而通過節(jié)流閥口的流量不變。而且，因為PP根據(jù)負載壓力PA而決定，不會形成不必要的泵輸出壓力，能夠把無功能量控制到最小。

當系統(tǒng)進入保壓工況時，一方面給比例節(jié)流閥輸入一個保證它有一固定閥口開度的電信號，另一方面，若在此時調(diào)節(jié)比例壓力先導閥的輸入電信號，就可得與之成比例的系統(tǒng)保壓壓力，在此工況，復合閥具有比例溢流閥的控制功能。

2 設計計算

2.1 設計要求

（1）圖形符號

設計的機能符號如圖2所示。

圖2 機能符號

（2）技術參數(shù)

設計產(chǎn)品的技術參數(shù)如表1所列。

表1 產(chǎn)品性能指標[1]

2.2 幾何尺寸的確定[2]

（1）安裝面尺寸：參照GB8098《板式液壓流量控制閥安裝面》規(guī)定的16通徑連接尺寸并參照國外樣機選取。

（2）進出油口直徑d：

式中：

Qg=公稱流量，取Qg=125 L/min；

Vg=進出口油液流速，取Vg=6 m/s

代入上式得：

取d=2.3 cm.

2.3 溢流閥主閥結(jié)構(gòu)尺寸

溢流閥主閥結(jié)構(gòu)尺寸，如圖3所示。

圖3 主閥結(jié)構(gòu)圖

（1）相關尺寸確定如下（表2）：

表2 尺寸確定（單位cm）

（2）壓力閥芯、壓力閥套閥口處錐角半角α1、α2

壓力閥芯錐角半角α1=46°

壓力閥套閥口處錐角半角α2=43°

（3）導閥芯錐角半角α3

導閥過流面積和錐閥的接觸應力大小與α2值有關。α3值小，過流面積和接觸應力大。根據(jù)經(jīng)驗取α3=20.5°.

（4）導閥座孔徑 d2、d3

與導閥芯相配合的導閥座孔徑d2的大小對調(diào)壓彈簧的剛度及比例電磁鐵的輸出力有較大影響，導閥座前端的的小孔d3主要起起適當?shù)淖枘嶙饔?，能消除尖叫和振動。根?jù)經(jīng)驗取d2=0.19 cm，d3=0.13 cm.

2.4 靜態(tài)特性分析計算

（1）在最高調(diào)定壓力P1maX下，主閥芯的額定開口量X10：

根據(jù)節(jié)流公式：

式中：C1=主閥閥口流量系數(shù)，取C1=0.8

Qg= 公稱流量，Qg=125（L/min）

α1=主閥芯閥口處錐角半角，α1=46°

D2=主閥套孔徑，D1=1.65 cm

γ=油液重度，γ=9.03×10-3N/cm3

P1max=公稱壓力值，P1max=14 MPa

代入式中，整理后得：

（2）卸荷時主閥芯的開口量X1x

根據(jù)節(jié)流方程：

將各值 Qg=125（L/min），α1=46°，D2=1.65（cm），[P1x]=0.4（MPa）

代入上式得：

在本次調(diào)查期間，參與口語報告檢測的學生共有45名，其中學習質(zhì)量相對較好、學習質(zhì)量中等、學困生各15名。

L1>X1x=0.24

液壓卡緊阻力Fk：

式中：f為摩擦系數(shù)，取0.08；

λk為液壓卡緊系數(shù)，取λk=0.027；

ΔPAB為節(jié)流閥節(jié)流口前后壓力差，取ΔPAB=0.3 MPa；

PA為節(jié)流閥節(jié)流口之后壓力。

3 溢流閥主閥彈簧設計驗算

忽略液動力和閥芯重力，穩(wěn)態(tài)閥芯受力平衡方程為：

液壓卡緊摩擦力：FK=6.8 N

ΔPPA為彈簧兩端壓差，ΔPPA=0.3 MPa

A3為閥芯上下腔有效作用面積mm2，A3=466 mm2；Ft為彈簧力（N）；P1′為彈簧剛度（N/mm）；x0為彈簧預壓量（mm）.根據(jù)經(jīng)驗取 P1′=12.5 N/mm，x0=10.5 mm，其余參數(shù)見下表3.

ΔPPA·A3=Ft+FK

其中，彈簧力

表3 產(chǎn)品參數(shù)

流量變化率、相對流量變化率：

工況：比例節(jié)流閥全開，泵輸出流量為1.15倍的閥公稱流量，系統(tǒng)壓力在工作范圍內(nèi)變化.

基本方程式：

令：PT=0，F(xiàn)K=0

將以上四式變換，使Q1成為比例溢流閥主閥口開度δT的函數(shù)，給定一個δT的值，便可求出相應的Q1、QT、PP、PA……等值。

流量變化率：

出口壓力變化時相對流量變化率：

計算結(jié)果見表4.

表4 計算結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著冶金軋鋼機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術得到了進一步提高。一種新型三通比例流量閥——比例壓力流量復合閥（簡稱PQ閥）在冶金軋鋼機械系統(tǒng)中得到了廣泛應用。但是基本上都是進口元件，國內(nèi)尚無批量生產(chǎn)。按照行業(yè)和市場要求開發(fā)PQ10型比例壓力流量復合閥。