礦用負(fù)載敏感系統(tǒng)閥前補(bǔ)償抗流量飽和技術(shù)研究

常映輝,周杰

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006；3.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西太原 030006)

0 前言

礦山機(jī)械工作通常不是一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，往往需要多執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)有不等的負(fù)載，而液壓泵的壓力只能和最大的負(fù)載相適應(yīng)。而多負(fù)載協(xié)同動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方式：(1)通過(guò)負(fù)載敏感回路中的壓力補(bǔ)償閥控制換向閥閥口壓差；(2)通過(guò)壓力補(bǔ)償閥對(duì)閥口壓差進(jìn)行補(bǔ)償。而壓力補(bǔ)償閥在最大負(fù)載回路中不起補(bǔ)償作用，只有在小負(fù)載的控制回路才可以利用壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)采用前置壓力補(bǔ)償閥，即壓力補(bǔ)償閥的位置布置在多路閥前，控制換向閥壓差時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)流量不能滿足多個(gè)執(zhí)行器需求的時(shí)候，壓力補(bǔ)償閥便會(huì)失去作用，油液會(huì)優(yōu)先供應(yīng)負(fù)載低的液壓回路，速度取決于流量，負(fù)載高的執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度便會(huì)減小直至停止。

另一種采用后置壓力補(bǔ)償閥，壓力補(bǔ)償閥布置在多路閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，當(dāng)系統(tǒng)流量不能滿足多個(gè)執(zhí)行器需求的時(shí)候，負(fù)載值不同的多路閥會(huì)同時(shí)由補(bǔ)償閥進(jìn)行補(bǔ)償，使得換向閥前后壓差保持一致。但是前置補(bǔ)償閥和后置補(bǔ)償閥都需要調(diào)壓彈簧來(lái)設(shè)定壓力，如果調(diào)壓彈簧磨損，主閥口的設(shè)定補(bǔ)償壓力值便會(huì)隨著改變，從而影響主閥所通過(guò)的流量。因此本文作者提出一種不適用調(diào)壓彈簧的壓力補(bǔ)償閥，來(lái)解決此問(wèn)題。

1 閥前補(bǔ)償分析

閥前補(bǔ)償工作原理如圖1所示。

圖1 前置補(bǔ)償原理

礦用設(shè)備在實(shí)際工作時(shí)會(huì)有多個(gè)負(fù)載，文中假設(shè)2個(gè)負(fù)載可以說(shuō)明技術(shù)原理，令>，因此系統(tǒng)最大負(fù)載為，并通過(guò)梭閥反饋給變量泵上的Ls閥，變量泵上的設(shè)定壓力一般是2～2.5 MPa。這里取系統(tǒng)壓力為

=+2.5

補(bǔ)償器設(shè)置在主閥芯前端，2個(gè)主閥的閥前壓力分別為和，則控制閥前后壓差為

Δ=-Δ=-

對(duì)于小負(fù)載的控制回路就需要利用壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行補(bǔ)償，壓力補(bǔ)償閥產(chǎn)生壓力降為

Δ=-

一般情況下，每一聯(lián)多路閥上壓力補(bǔ)償器的設(shè)定壓力是相同的，并且是一個(gè)固定值，因此：

Δ=Δ

各回路的流量：

式中：為流量系數(shù)；為通流面積；為密度。

從式中可以看出各回路的流量與換向閥的通流面積和兩端的壓差成比例。

為保證每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都能正常工作，系統(tǒng)壓力必須保證最大負(fù)載對(duì)應(yīng)的壓力補(bǔ)償器正常工作。但在負(fù)載保持不變的情況下，不管哪個(gè)負(fù)載需要的流量增加都會(huì)影響系統(tǒng)壓力，導(dǎo)致壓力下降。系統(tǒng)正常工作時(shí)，各個(gè)回路的流量都可以通過(guò)多路閥的開(kāi)口量實(shí)現(xiàn)改變。當(dāng)系統(tǒng)壓力下降到不能滿足最大負(fù)載對(duì)應(yīng)的壓力補(bǔ)償器正常工作時(shí)，這時(shí)最大負(fù)載回路上的壓力補(bǔ)償器失效，對(duì)于該回路已經(jīng)無(wú)法通過(guò)改變多路閥的開(kāi)口量來(lái)進(jìn)行調(diào)速，此時(shí)的變量泵已經(jīng)達(dá)到最大排量相當(dāng)于定量泵。此時(shí)負(fù)載的動(dòng)作可以分為3種情況：

大負(fù)載回路流量需增加，小負(fù)載回路流量不變，大負(fù)載回路多路閥閥口繼續(xù)增大，該回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度保持恒定；

小負(fù)載回路流量需增加，大負(fù)載回路流量不變，由于小負(fù)載回路上壓力補(bǔ)償器正常工作，增大該回路多路閥的開(kāi)口量，負(fù)載速度會(huì)增加。由于此時(shí)泵為定量泵狀態(tài)，小負(fù)載回路流量增加，大負(fù)載回路流量就會(huì)減少，導(dǎo)致大負(fù)載回路上的執(zhí)行器速度減慢甚至停止運(yùn)動(dòng)；

大、小負(fù)載回路流量同時(shí)需增加，系統(tǒng)優(yōu)先滿足小負(fù)載回路所需流量，小負(fù)載速度會(huì)增加，大負(fù)載回路中流量減少，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度就會(huì)減慢甚至停止運(yùn)動(dòng)。

2 改進(jìn)后閥前補(bǔ)償技術(shù)分析

本文作者提出的改進(jìn)后閥前補(bǔ)償工作原理如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后前置補(bǔ)償工作原理圖

令>，因此系統(tǒng)最大負(fù)載為，并通過(guò)梭閥反饋給變量泵上的Ls閥，系統(tǒng)工作時(shí)，補(bǔ)償器上靜壓平衡，因此：

Δ=-

Δ=-

整理可得：

系統(tǒng)壓差-為泵上的負(fù)載反饋調(diào)定壓力，一般設(shè)定為定值，與前述一樣設(shè)定為2.5 MPa，從式中可以看出換向閥兩端的壓差與系統(tǒng)壓差成比例，而且不同換向閥上的壓差是相等的。

補(bǔ)償器的閥芯設(shè)計(jì)完成后，閥芯處和尺寸就確定，首先可以保證換向閥兩端的壓差恒定，出口流量與主閥芯位移成比例。與閥后補(bǔ)償器的功能一樣，當(dāng)系統(tǒng)流量不能滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作的情況下，整個(gè)系統(tǒng)壓差會(huì)減小，換向閥兩端的壓差成比例地減小，但是換向閥兩端的壓差依然恒定。

設(shè)計(jì)的壓力補(bǔ)償器不采用彈簧結(jié)構(gòu)，靠系統(tǒng)壓力和最大負(fù)載壓力實(shí)現(xiàn)兩端的壓差為定值。改變壓力補(bǔ)償器閥芯的尺寸，就可以調(diào)整換向閥兩端的壓差和系統(tǒng)壓差的比例。

3 仿真分析

利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的壓力補(bǔ)償閥進(jìn)行分析，仿真原理如圖3所示，模擬驅(qū)動(dòng)油缸回路，壓力補(bǔ)償閥設(shè)置在主閥前端，控制主閥進(jìn)出口的壓力差，回路上的油液通過(guò)壓力補(bǔ)償閥后進(jìn)入主閥，由主閥控制油缸動(dòng)作。

圖3 壓力補(bǔ)償閥仿真原理

仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

壓力補(bǔ)償閥的閥芯設(shè)計(jì)完成后，閥芯處和尺寸就確定，主閥口兩端的壓差與整個(gè)系統(tǒng)壓差-成比例，仿真時(shí)設(shè)定-為2 MPa，圖4展示了不同面積比時(shí)主閥口兩端的壓力差?？梢钥闯?面積比分別為1、0.8和0.5時(shí)，主閥口的壓差-分別為2、1.59和0.99 MPa，因此改變壓差補(bǔ)償器的閥芯尺寸，就可以改變主閥口兩端的壓差，并且保持恒定。

圖4 不同面積比時(shí)主閥口兩端壓力差 圖5 系統(tǒng)壓差改變時(shí)主閥的流量

仿真時(shí)壓力補(bǔ)償閥的閥芯面積比不變，模擬系統(tǒng)壓差減小時(shí)，主閥的輸出流量如圖5所示。

從圖5中可以看出：系統(tǒng)壓差-為2 MPa時(shí)，主閥的輸出流量為100 L/min，系統(tǒng)壓差減小到1.5、1 MPa時(shí)，主閥的輸出流量分別為87.5、71.4 L/min，這與理論計(jì)算一致。而且隨著系統(tǒng)壓差的減小，主閥的輸出流量仍然穩(wěn)定，不會(huì)導(dǎo)致負(fù)載停止動(dòng)作。

4 結(jié)論

閥前補(bǔ)償和閥后補(bǔ)償都采用調(diào)壓彈簧進(jìn)行壓力補(bǔ)償，閥前補(bǔ)償可以保證主閥進(jìn)出口壓差恒定，而且具有一定的流量穩(wěn)定范圍，當(dāng)流量出現(xiàn)飽和狀態(tài)時(shí)，流量會(huì)優(yōu)先供給小負(fù)載，而不是再按各主閥開(kāi)口面積來(lái)分配流量，使較大負(fù)載失去了控制，速度降低甚至減小，進(jìn)而影響復(fù)合動(dòng)作的正常進(jìn)行。通過(guò)閥后間接補(bǔ)償也可以保證多路閥進(jìn)出口壓差恒定，當(dāng)流量飽和時(shí)，通過(guò)同時(shí)減小各主閥兩端的壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)抗流量飽和，從而確保無(wú)論在什么工況，多路閥通過(guò)流量?jī)H與主閥開(kāi)度有關(guān)而保持原來(lái)的比例不變。

新設(shè)計(jì)的補(bǔ)償閥不采用調(diào)壓彈簧，減少?gòu)椈赡p對(duì)主閥流量準(zhǔn)確性的影響，而且壓力補(bǔ)償閥設(shè)置在主閥芯前端，但是具有和閥后補(bǔ)償同樣的功能，實(shí)現(xiàn)了具有前置式壓力補(bǔ)償器的負(fù)載敏感多路閥的流量抗飽和能力。