溢流閥溢流損耗能量回收系統(tǒng)研究

石 勇1，潘 煒，張躍軍

(1.海軍裝備部北京局駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100176； 2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120)

引言

液壓系統(tǒng)由于具有功率密度大、布置靈活、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)也存在效率低的不足，以閥控液壓挖掘機(jī)為例，據(jù)研究報(bào)告，液壓挖掘機(jī)的能量利用率大約只有20%，其中液壓系統(tǒng)的效率大約為30%[1]。因此液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究具有非常重要的意義。

液壓系統(tǒng)的能量損耗主要包括溢流損耗和節(jié)流損耗。目前針對(duì)節(jié)流損耗的研究較多，主要有正流量系統(tǒng)、負(fù)流量系統(tǒng)[2]、負(fù)載敏感系統(tǒng)[3]、負(fù)載口獨(dú)立控制[4]和泵控系統(tǒng)[5]等。這些研究的主要目的都是為了使液壓泵的輸出流量與負(fù)載流量相匹配，從而達(dá)到降低節(jié)流損耗的目的。

受傳統(tǒng)技術(shù)及用途的限制，溢流閥的出口一般接油箱，由于油箱壓力近似為0，因此，溢流閥的進(jìn)、出口壓差損耗即為溢流閥進(jìn)口壓力，而進(jìn)油口壓力為用戶的目標(biāo)調(diào)整壓力，由用戶設(shè)定，不能改變；溢流壓力等級(jí)越大，閥口壓差損耗越大；隨著液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)越來越高，溢流損耗問題將更加突出。

本研究以比例溢流閥為例，提出一種在比例溢流閥的出口連接液壓蓄能器來提高溢流閥出口壓力的結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)降低溢流損耗的目的?？紤]到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響溢流閥工作性能的重要的影響因素，建立其CFD流場(chǎng)模型，分析能量回收單元對(duì)液動(dòng)力的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究分析能量回收單元對(duì)溢流閥的工作性能的影響。

1 具有能量回收單元的溢流閥結(jié)構(gòu)方案

圖1所示為傳統(tǒng)比例溢流閥和所提出的具有能量回收單元的比例溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖[6]。從圖1看出，傳統(tǒng)先導(dǎo)式比例溢流閥的回油口接油箱，而所提出的具有能量回收單元的先導(dǎo)式比例溢流閥的出口接液

圖1 溢流閥溢流損耗回收結(jié)構(gòu)示意圖

壓蓄能器或液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)等能量回收單元。

溢流閥閥口壓差損耗為：

Δp=p1-p2

(1)

當(dāng)為傳統(tǒng)型溢流閥時(shí)，由于回油口接油箱，即p2=0，故進(jìn)出口壓力損耗為Δp1=p1。

當(dāng)為所提出的具有能量回收單元的溢流閥時(shí)，其出口接能量回收單元，其壓力高于油箱壓力，故其進(jìn)出口壓差為Δp2=p1-p2<Δp1。

為了保證溢流閥正常工作，先導(dǎo)調(diào)壓側(cè)必須單獨(dú)接回油箱，出口壓力必須小于主閥芯開啟壓力。

2 主閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分析

溢流閥在工作時(shí)，隨著工作壓力的變動(dòng)，其處于動(dòng)態(tài)的調(diào)整狀態(tài)。在溢流閥工作時(shí)，其閥芯上會(huì)受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響，液動(dòng)力Fs是影響溢流閥工作性能的重要參數(shù)，其理論公式為：

Fs=p1A1-pxA1-k(x0+x)

(2)

為對(duì)閥芯液動(dòng)力進(jìn)行分析，建立了主閥芯的流場(chǎng)仿真模型，圖2所示為溢流閥的主閥芯流場(chǎng)網(wǎng)格圖，表1為基本仿真參數(shù)。

圖2 溢流閥主閥芯流場(chǎng)網(wǎng)格圖

表1 主閥芯的關(guān)鍵參數(shù)

圖3是在進(jìn)口壓力為21.5 MPa時(shí)，溢流閥的主閥芯出口接油箱和接15 MPa能量回收單元壓力時(shí)的流場(chǎng)壓力和速度分布圖。從圖中看出，當(dāng)溢流閥出口接油箱時(shí)，閥內(nèi)流場(chǎng)內(nèi)的壓力最低為0，速度可以高達(dá)241 m/s；而當(dāng)出口接壓力為15 MPa的能量回收單元時(shí)，閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力最低為14 MPa，最大速度為120 m/s，相比出口接油箱的情況降低很多。較低的流速有利于避免閥內(nèi)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

圖3 主閥芯壓力和速度流場(chǎng)分布圖

圖4是當(dāng)溢流閥的回油口從0逐漸升高的過程中，所獲得的閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及閥芯位移曲線。從圖看出，隨著出口壓力的提高，閥芯所受液動(dòng)力逐漸下降，流量越大，下降幅度越快；而閥芯位移隨著出口壓力的提高逐漸增大，流量越大，閥口的位移量也就越大。根據(jù)薄壁小孔流量公式，通過的流量與截面積成正比，因此在相同的進(jìn)出口壓差情況下，輸出流量越多，閥口開度越大，閥芯位移也就越大。圖4說明，當(dāng)提高溢流閥出口壓力時(shí)，能降低閥芯所受到的液動(dòng)力，可大大降低溢流閥的調(diào)壓偏差。

圖4 溢流閥出口壓力與穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及閥芯位移的關(guān)系

3 溢流閥穩(wěn)壓性能測(cè)試研究

為研究采用能量回收單元對(duì)溢流閥工作性能的影響，搭建了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5和圖6所示。測(cè)試系統(tǒng)包括兩部分：

(1) 泵站：定量泵3的最大輸出流量為250 L/min，最大工作壓力31.5 MPa。安全閥4用來保護(hù)系統(tǒng)，2/2 換向閥5通電時(shí)使液壓泵卸荷；

(2) 測(cè)試單元：通過被測(cè)試溢流閥9的流量由流量計(jì)10測(cè)試，背壓加載閥12用來代替能量回收單元。測(cè)試過程中，背壓從實(shí)驗(yàn)開始即作用到被測(cè)試溢流閥上。在整個(gè)測(cè)試過程中，被測(cè)閥的先導(dǎo)閥在5～15 s范圍內(nèi)通電，即是說被測(cè)試閥在5～15 s范圍內(nèi)用來設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力。

1.過濾器 2.變頻電機(jī) 3.定排量泵 4.安全閥 5.2/2換向閥6.單向閥 7.壓縮量傳感器 8、11、14.壓力表9.被測(cè)試先導(dǎo)比例溢流閥 10、13.流量計(jì) 12.回油背壓加載閥

圖6 測(cè)試平臺(tái)照片

對(duì)先導(dǎo)式溢流閥而言，其彈簧剛度k很小，近似可以忽略，因此根據(jù)式(2)，僅需測(cè)量出主閥芯上下面的壓力，即可近似求出閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。

3.1 背壓對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響

圖7是當(dāng)通過溢流閥的流量為50 L/min時(shí)，背壓對(duì)閥芯穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及主閥彈簧力的影響。從圖看出，當(dāng)背壓小于10 MPa時(shí)，隨著背壓增大，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有波動(dòng)，但當(dāng)背壓大于10 MPa后，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力快速降低，與仿真曲線的趨勢(shì)相同。仿真與試驗(yàn)測(cè)試的最大誤差為19 N，相對(duì)誤差小于15%。根據(jù)仿真結(jié)果，背壓越大，閥芯位移越大，因此彈簧力也就越大，但從圖看出，彈簧力的變化量較小，近似可以認(rèn)為不變。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是閥芯的附加作用力，對(duì)液壓閥的工作性能有重要影響，因此，降低穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也是液壓閥設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。根據(jù)圖 7的測(cè)試結(jié)果，通過提高背壓降低穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力或許會(huì)成為液壓閥設(shè)計(jì)提供新的思路。

圖7 背壓對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和彈簧力的影響(Q=50 L//min)

3.2 背壓對(duì)入口壓力的影響

圖8是在不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，背壓分別為0和15 MPa時(shí)，溢流閥入口壓力的對(duì)比曲線。從圖看出，在0～5 s時(shí)，先導(dǎo)閥處于斷電狀態(tài)，此時(shí)被測(cè)試溢流閥的入口壓力與背壓相同。在5～15 s時(shí)，先導(dǎo)閥通電，設(shè)定壓力

圖8 不同背壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下的入口壓力比較

為21.5 MPa，此時(shí)溢流閥的入口壓力基本在設(shè)定壓力21.5 MPa左右。電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，通過溢流閥的流量越多，相應(yīng)的溢流閥的壓力也就越高，但是差別較小，尤其是在背壓15 MPa時(shí)，不同轉(zhuǎn)速情況下所對(duì)應(yīng)的入口壓力的差別較無背壓時(shí)要小，說明背壓不僅不會(huì)影響溢流閥的穩(wěn)壓性能，反而能提高其在流量變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性。

圖9為不同背壓情況下的被測(cè)試溢流閥的流量-壓力曲線對(duì)比，從圖看出，隨著通過被測(cè)試閥的流量增大，溢流閥的入口壓力均升高，但是背壓越大，入口壓力升高的幅度越小。當(dāng)背壓為15 MPa時(shí)，調(diào)壓偏差為7%，而當(dāng)背壓為18MPa時(shí)，調(diào)壓偏差為2.5%，而一般的溢流閥的調(diào)壓偏差在15%左右。因此提高背壓能夠減小調(diào)壓偏差，在大流量使用場(chǎng)合下能夠獲得更好的壓力控制性能。

圖9 流量-壓力曲線對(duì)比

3.3 背壓對(duì)溢流流量的影響

圖10是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，在不同背壓情況下的流量曲線。從曲線看，不論背壓多大，通過閥的流量基本相同，變化規(guī)律也相同。在5 s時(shí)，先導(dǎo)閥通電，溢流閥開始工作，此時(shí)由于先導(dǎo)閥開啟而引起瞬時(shí)的流量波動(dòng)，由于先導(dǎo)閥流過一定的流量，因此在在5～15 s范圍內(nèi)，通過的流量略有減小，當(dāng)15 s先導(dǎo)閥斷電時(shí)，流量亦產(chǎn)生波動(dòng)，后穩(wěn)定在正常的范圍內(nèi)。因此，背壓對(duì)溢流閥的溢流量基本沒有影響。

圖10 背壓對(duì)流量的影響(電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min)

4 結(jié)論

溢流閥作為三大類閥之一，其主要起溢流調(diào)壓和安全閥作用。溢流閥口壓差損耗較大，由于溢流閥的溢流流量具有一定的隨機(jī)性；因此，通過降低流量的途徑來降低溢流損耗的節(jié)能效果有限，尤其在高壓化的液壓系統(tǒng)。從降低閥口損耗壓差方法解決導(dǎo)致液壓系統(tǒng)效率低下溢流損耗為目標(biāo)，提出了采用能量回收單元主動(dòng)控制溢流閥口的閥口壓差僅為保證工作性能的最小壓差，并把多余的壓差損耗能量回收和再利用。因此，溢流閥出口和能量回收單元相連后，通過能量回收單元回收溢流閥的溢流損耗后，不僅可以降低溢流閥閥口的壓差能量損耗，同時(shí)由于閥口前后壓差的減小，能有效降低作用于閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，進(jìn)而降低溢流閥的調(diào)壓偏差，同時(shí)溢流流量也基本不受影響。