大通徑比例可調(diào)液控主閥設(shè)計

張曉東，普 超，汪 洋

（1. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031；2. 中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

0 引言

某大型船用升降設(shè)備采用油缸滑輪組驅(qū)動，鋼絲繩的一端被固定，經(jīng)過動滑輪組和轉(zhuǎn)向滑輪組改變走向后，另外一端連接升降平臺吊點。當(dāng)油缸的活塞桿伸出推動動滑輪組時，通過鋼絲繩組件拉動升降平臺向上運行；當(dāng)升降平臺向下運行時，借助升降平臺自重及載荷重量使油缸活塞桿收回。升降平臺向上或向下運行時，要經(jīng)歷起動、加速、勻速、減速和停止的過程，為保證升降平臺起動和停止過程中的平穩(wěn)順暢，需要采用比例控制的方法。油缸額定流量為500 L/min，額定工作壓力為18.5 MPa，原本有電液比例換向閥貨架產(chǎn)品可選，但是考慮到船上環(huán)境條件惡劣及放大板容易損壞的實際使用經(jīng)驗，決定自主設(shè)計大通徑比例可調(diào)液控主閥。

1 主閥結(jié)構(gòu)

主閥結(jié)構(gòu)見圖1，閥芯設(shè)計直徑為Φ50 mm，閥芯設(shè)計行程為22 mm，連接底板按照DIN24340-A32標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行連接，參考常規(guī)液控滑閥型式[1-3]進(jìn)行特殊設(shè)計，主要由閥體、閥芯、端蓋、復(fù)位彈簧、調(diào)速閥及其他附件構(gòu)成。采用比例可調(diào)液控方式的升降平臺運行速度變化平穩(wěn)，不依賴于電氣輸入信號，對油液清潔度要求低，適用于存在高低溫、電磁干擾、介質(zhì)易污染環(huán)境的船舶。

圖1 主閥結(jié)構(gòu)圖

但相較于常規(guī)液控?fù)Q向閥，大通徑比例可調(diào)液控主閥具有以下特性：

1）切換速度控制。主閥大、小控制腔設(shè)計了單向調(diào)速閥，通過調(diào)節(jié)閥口開度，改變進(jìn)入的控制油流量，可調(diào)節(jié)閥芯的打開和關(guān)斷速度。

2）面積差控制。比例換向閥大、小腔存在面積差，在小腔設(shè)計了復(fù)位彈簧，能確保閥芯打開和關(guān)斷的可靠性。

3）閥芯開度控制。通過在閥芯右側(cè)增加墊塊厚度，實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)下閥芯的開度。

4）閥芯運動平穩(wěn)性控制。通過在閥芯臺階處加工V型槽，在閥芯上開設(shè)均壓槽，平衡閥芯的徑向液動力，保證閥芯在整個運動過程中對執(zhí)行器控制的連續(xù)平穩(wěn)性。

2 主閥工作原理

主閥小腔閥芯直徑為Φ50 mm，大腔閥芯直徑為Φ80 mm，存在一定的面積差，當(dāng)電氣控制系統(tǒng)斷電時，電磁換向閥7.1和7.2處于失電狀態(tài)，控制油直接通到小腔；大腔通過調(diào)速閥8.4與回油相通，在彈簧力和小腔液壓力的作用下，推動閥芯逐漸關(guān)斷并保持；通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥8.4來調(diào)節(jié)閥芯的關(guān)斷時間；當(dāng)電磁換向閥7.1和7.2處于得電時，控制油直通小腔同時經(jīng)過調(diào)速閥8.3通到大腔，由于大腔和小腔的面積差，大腔液壓力克服小腔液壓力和彈簧力，推動閥芯逐漸打開并保持，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥8.3可以調(diào)節(jié)閥芯的打開時間；使用2個電磁換向閥7.1和7.2，要求兩者同時得電后才能打開主閥閥芯，相當(dāng)于增加一道安全保護(hù)，防止錯誤信號導(dǎo)致錯誤動作；當(dāng)兩者中任意一個失電，則可關(guān)斷主閥閥芯，確保主閥閥芯可靠關(guān)斷。

主閥工作原理見圖2。

圖2 主閥工作原理圖

3 主閥中間試驗

鑒于主閥在升降設(shè)備控制閥組中的重要性，有必要對主閥在要求1 MPa壓降時的輸出流量、閥芯行程、閥芯打開時間和線性度、閥芯關(guān)斷時間和線性度，以及閥芯動作重復(fù)精度等指標(biāo)通過中間試驗進(jìn)行驗證。

試驗用液壓系統(tǒng)原理見圖3。系統(tǒng)接入恒壓變量泵組提供的高壓油，最大供油流量為400 L/min，控制油路由高壓過濾器、減壓閥、單向閥、溢流閥、蓄能器和電磁球閥組成，通過電磁球閥7.1和7.2的通斷實現(xiàn)控制油路的通斷。通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥8.3即可調(diào)節(jié)主閥的打開時間，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥8.4即可調(diào)節(jié)主閥的關(guān)閉時間。

圖3 試驗液壓系統(tǒng)原理

在實驗室使用試驗用測試閥組（見圖4）對主閥樣件進(jìn)行多次試驗。用激光位移傳感器測量閥芯行程，行程可以通過閥芯行程調(diào)節(jié)墊塊（見圖5）進(jìn)行調(diào)節(jié)，主閥關(guān)閉時，閥芯位移最大。在主閥P、T、A、B 4個油口設(shè)置壓力傳感器，檢測壓力變化和P→A壓降是否符合1 MPa是要求，A、B口連接徑向柱塞馬達(dá)，出軸安裝編碼器，根據(jù)編碼器轉(zhuǎn)速、馬達(dá)排量和數(shù)據(jù)采集時間計算出主閥輸出流量。

圖4 試驗用測試閥組

圖5 閥芯行程調(diào)節(jié)墊塊

實際應(yīng)用時對主閥最大通流特性有一定的要求，需要限制閥芯穩(wěn)定狀態(tài)下的開度，測試此狀態(tài)下閥芯的流量-時間特性曲線和壓差。為此，給閥芯分別裝上了不同厚度的墊塊，限制閥芯行程，得到不同的試驗數(shù)據(jù)。圖6和圖7分別為墊塊厚度14 mm、17 mm時的試驗數(shù)據(jù)。

由圖6和圖7可看出，墊塊厚度為14 mm時，在閥芯滿行程狀態(tài)下，主閥通過流量為322 L/min，P口至A口的壓降為1.3 MPa；墊塊厚度為17 mm時，在閥芯滿行程狀態(tài)下，主閥通過流量為248 L/min，P口至A口的壓降為2.8 MPa。由此可見：通過閥芯墊塊可以很好地調(diào)節(jié)主閥壓差-流量特性。

圖6 墊塊厚度14 mm 時的試驗數(shù)據(jù)

圖7 墊塊厚度17 mm 時的試驗數(shù)據(jù)

實際應(yīng)用時對主閥工作性能的穩(wěn)定性有一定的要求，需保證主閥在調(diào)整完畢后，閥芯具備相同的切換狀態(tài)。為了驗證主閥的這一特性，在為主閥調(diào)定1組工作參數(shù)后（墊塊厚度17 mm），完成了70次重復(fù)試驗，圖8所示為第2、12、22、32、42、52、62組的閥芯位移-時間試驗數(shù)據(jù)。

由圖8可看出，試驗時間增加引起了油液溫度的升高，第62組數(shù)據(jù)比第2組數(shù)據(jù)溫度高出10 ℃，但各組數(shù)據(jù)的閥芯位移-時間曲線重合性很高，說明調(diào)速閥的溫度補(bǔ)償功能使主閥閥芯切換狀態(tài)對溫度變化不敏感，說明主閥的閥芯切換特性很穩(wěn)定。

圖8 閥芯位移-時間試驗數(shù)據(jù)

在主閥中間試驗過程中，樣件1工作平穩(wěn)順暢，性能指標(biāo)滿足要求，但樣件2在試驗開始時就出現(xiàn)閥芯卡死故障，現(xiàn)場拆卸時發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)有鐵屑和沙粒，見圖9?？紤]到現(xiàn)場拆卸的難度和環(huán)境條件難以保證，樣件2返廠檢修，經(jīng)過拆檢、清洗、重新裝配、初步試驗后再次安裝到試驗臺進(jìn)行中間試驗，結(jié)果在開始動作幾次后再次出現(xiàn)閥芯卡死故障，在生產(chǎn)方主管技術(shù)人員趕到現(xiàn)場，對試驗現(xiàn)場環(huán)境條件、故障時情況等進(jìn)行交流后，判斷為閥芯和閥腔的配合問題，最終決定將樣件1、2全部返廠拆檢，在隨后拆檢比對中，閥腔尺寸偏差約為1 μm～2 μm，但閥芯尺寸偏差約為8 μm～9 μm，導(dǎo)致樣件2閥芯與閥腔配合間隙過小，閥體與閥板連接緊固時閥體微小變形導(dǎo)致閥芯卡死。

圖9 樣件2 中間試驗拆檢圖

4 結(jié)論

大通徑比例可調(diào)液控主閥根據(jù)常規(guī)液控滑閥型式進(jìn)行特殊設(shè)計，主要優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)控制腔控制油流量，調(diào)整主閥打開和關(guān)斷的時間，進(jìn)而實現(xiàn)比例調(diào)速性能；在規(guī)定的P→A壓降為1 MPa和閥芯行程14 mm時，實現(xiàn)320 L/min的流量輸出。

通過適當(dāng)增加閥口壓降和閥芯行程，使主閥實現(xiàn)更高的流量輸出。通過調(diào)節(jié)控制油流量，使主閥實現(xiàn)快速打開和關(guān)斷，并通過中間試驗驗證工作原理的正確性，可應(yīng)用于大流量或超大流量、控制精度不高、參數(shù)固定的比例控制場合，具有較強(qiáng)的抗污染能力和抗電磁干擾環(huán)能力，有一定的應(yīng)用價值。