液壓阻尼回路在《液壓傳動》教學(xué)中的應(yīng)用探討

劉成強(qiáng)， 姜繼海， 羅念寧， 陳 躍， 張 磊

(1.徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇徐州 221018； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江哈爾濱 150001)

引言

液壓傳動具有功率密度比大、動態(tài)響應(yīng)快、布局安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其是重型機(jī)械、行走機(jī)械等領(lǐng)域。液壓技術(shù)水平的高低是一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。液壓傳動課程在機(jī)械類人才的培養(yǎng)中具有舉足輕重的地位，是工科類學(xué)生的必修課程。針對如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，為國家建設(shè)和發(fā)展輸送高水平的液壓技術(shù)人才，眾多高等教育工作者對此進(jìn)行了廣泛的研究和探索[1-4]。課程思政是落實高校立德樹人根本任務(wù)的重要途徑，也是新時代發(fā)展對專業(yè)課程教學(xué)就德才兼?zhèn)湫蛻?yīng)用人才培養(yǎng)目標(biāo)提出的明確要求，沈偉等[5]、路珍等[6]研究了課程思政元素如何融入液壓傳動教學(xué)。針對新冠疫情線上教學(xué)背景，周明峰等[7]對液壓傳動線上教學(xué)改革進(jìn)行了研究。液壓傳動課程需要培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，實驗教學(xué)過程也是重要的培養(yǎng)方法，陳敏捷等[8]、劉愛軍等[9]、孫月華等[10]研究了實驗教學(xué)方面的改革與創(chuàng)新。

1973年西德阿亨工業(yè)大學(xué)液壓與氣動研究所巴克教授出版了著作《閥與調(diào)節(jié)回路中液壓阻力回路系統(tǒng)學(xué)》，經(jīng)太原工學(xué)院周文翻譯為《液壓阻尼回路系統(tǒng)學(xué)》。該書從基本的單元阻力回路出發(fā)，研究了阻力調(diào)節(jié)與控制的共性，運(yùn)用阻力回路基本原理來分析液壓傳動中的液壓閥與液壓回路，反映液壓傳動的基本工作原理，“與閥、系統(tǒng)的多樣性無關(guān)”[11]。液壓元件結(jié)構(gòu)形式眾多，同一種元件也有不同的結(jié)構(gòu)形式，通過阻尼回路來描述液壓元件和系統(tǒng)具有統(tǒng)一性，即相同工作原理的液壓元件或液壓系統(tǒng)可以有各種具體的機(jī)構(gòu)形式，阻尼回路是唯一的，可以避免學(xué)生學(xué)習(xí)時“紛繁復(fù)雜”的感覺，是采用國標(biāo)符號教學(xué)的有益補(bǔ)充。針對目前液壓傳動課程教學(xué)中很少有介紹液壓阻尼回路方面知識的不足，本研究對液壓阻尼回路在液壓傳動課程液壓閥及典型回路教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了論述。

1 典型液壓閥的阻尼回路

1.1 單向閥

液壓單向閥在液壓回路中可以控制液壓油的單向流動，比如：安裝在液壓泵的出口，避免液壓油的倒流；安裝在管路中，避免負(fù)載反向運(yùn)動；2個單向?qū)χ冒惭b可以構(gòu)成梭閥；單向閥與其他功能的閥并聯(lián)構(gòu)成組合閥；安裝在回油管理中起到背壓作用，單向閥的阻尼回路如圖1所示。

圖1 單向閥阻尼回路Fig.1 Damping circuit of check valve

單向閥閥芯的受力平衡方程為：

pA=Kx0

(1)

式中，p為單向閥入口壓力；A為單向閥閥芯的受壓面積；K為單向閥的彈簧剛度；x0為彈簧的預(yù)壓縮量。

單向閥的彈簧預(yù)壓縮量較小，因此開啟壓力較低。端口2壓力高于端口1的壓力時，彈簧力和端口2的壓力合力使閥口關(guān)閉。

液壓執(zhí)行元件一般為雙向運(yùn)動，即管路中的液壓油一般是2個方向都可以運(yùn)動的，因此需要雙向運(yùn)動的管路中可以安裝液控單向閥，即增加了控制口C，通過控制口C連接控制油，實現(xiàn)單向閥閥口在外部控制油的作用下開啟。液控單向閥的阻尼回路如圖2所示。

圖2 液控單向閥阻尼回路Fig.2 Damping circuit of hydraulic controlled check Valve

液控單向閥閥芯的受力平衡方程為：

pA1=Kx0或pcA2=Kx0

(2)

如果液壓執(zhí)行元件2個方向都需要在可控的情況下雙向流動，2個液控單向閥并聯(lián)，即構(gòu)成雙向液壓鎖，雙向液壓鎖阻尼回路如圖3所示。P口的壓力作用在單向閥1的閥芯上，使P口到1口的油路聯(lián)通，同時P口的壓力作用在單向閥2的閥芯上，使2口到T口的油路連通?？刂瓶跊]有壓力時，在彈簧力和負(fù)載口1，2的壓力作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，實現(xiàn)鎖止功能。

圖3 雙向液壓鎖阻尼回路Fig.3 Damping circuit of bidirectional hydraulic lock

1.2 溢流閥

溢流閥用來控制入口的壓力，直動式溢流閥的阻尼回路如圖1所示，即直動溢流閥的阻尼回路與單向閥的阻尼回路是一樣的，單向閥在系統(tǒng)中可以起背壓作用，工作原理等效于溢流閥。

順序閥阻尼回路原理也如圖1所示，控制信號是入口的壓力信號，當(dāng)壓力大于彈簧設(shè)定值時，阻尼開啟，實現(xiàn)油路聯(lián)通，順序閥與溢流閥的區(qū)別在于應(yīng)用目的不一樣，順序閥出口2連接液壓執(zhí)行元件，溢流閥出口2連接油箱。

由式(1)可以看出，如果系統(tǒng)壓力很大，液壓壓力對閥芯產(chǎn)生的作用力很大，這時彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸很大，可以采用壓力差與彈簧力相平衡的方式，閥芯受到的液壓力合力減小，彈簧尺寸得到減小。差壓式直動溢流閥如圖4所示，差式直動溢流閥增加了1個控制口，可以減小彈簧的大小，也可實現(xiàn)入口壓力自動跟隨負(fù)載的變化，實現(xiàn)溢流壓力比控制口壓力高恒定的值。

差壓式直動溢流閥的閥芯的平衡方程方程為：

pA1-pcA2=Kx0

(3)

先導(dǎo)式溢流閥的阻尼回路原理圖如圖5所示?？梢钥闯鲋鏖y芯3為差壓式直動溢流閥，壓力差由阻尼孔1產(chǎn)生，先導(dǎo)溢流閥2閥芯測壓面積很小，所以液壓產(chǎn)生的壓力小，減小了彈簧的尺寸，先導(dǎo)閥2是結(jié)構(gòu)尺寸很小的直動式溢流閥。

圖5中先導(dǎo)溢流閥開啟后的壓力關(guān)系為：

p2A3=K2x20

(4)

主溢流閥閥芯3的受力平衡為：

p1A1-p2A2=K1x10

(5)

由式(5)可以看出，主溢流閥閥芯3與阻尼孔1前后的壓力差(p1-p2)相平衡，(p1-p2)的值較小，因此主溢流閥3的彈簧結(jié)構(gòu)尺寸可以較小。先導(dǎo)溢流閥2的開啟壓力為p2，主溢流閥的入口壓力為p1，壓力受流過固定阻尼1的流量影響，這種形式的先導(dǎo)溢流閥在沒有開啟時沒有液壓油流過阻尼孔1，根據(jù)帕斯卡靜壓原理，此時p1等于p2。當(dāng)先導(dǎo)溢流閥2開啟后，先導(dǎo)溢流閥調(diào)定的壓力p2與入口壓力p1存在壓力差，為減小此偏差，可以調(diào)整先導(dǎo)溢流閥2的測壓點(diǎn)位置，調(diào)整后的阻尼回路如圖6所示。

圖6 測壓點(diǎn)在前先導(dǎo)式溢流閥阻尼回路Fig.6 Damping circuit of pilot relief valve withpressure measuring pointin front

此時先導(dǎo)溢流閥閥芯開啟壓力關(guān)系為：

p1A3=K2x20

(6)

1.3 減壓閥

減壓閥用來實現(xiàn)控制出口的壓力低于入口壓力的減壓，原理是利用液壓油的流動產(chǎn)生液阻，直動式兩通減壓閥的阻尼回路如圖7所示。阻尼孔是常開式的，即在彈簧力的作用下閥口是常開的。反饋測壓點(diǎn)是檢查B端口的壓力，如果B端口壓力大于彈簧力，閥口過流面積開始減小，直到最小為0。此時如果存在負(fù)負(fù)載，即B端口的壓力主動繼續(xù)升高，相當(dāng)于B端口是壓力源，此時由于阻尼口完全關(guān)閉，此時B端口的壓力會繼續(xù)升高，破壞B端口液壓元件。

圖7 直動式兩通減壓閥阻尼回路Fig.7 Damping circuit of direct acting pressure reducing valve

為減小直動式減壓閥彈簧的參數(shù)，減壓閥的閥芯可以做成差動式，如圖8所示。

圖8 定差減壓閥阻尼回路Fig.8 Damping circuit of differential pressure reducing valve

定差減壓閥閥芯的受力平衡方程為：

Kx0=p1A2-p2A1

(7)

為解決直動式兩通減壓閥B端在外負(fù)載作用下壓力繼續(xù)升高的問題，可以采用直動式三通減壓閥，如圖9所示。阻尼1和阻尼2機(jī)械關(guān)聯(lián)，B端壓力超過限定值之后，B端與液壓油箱相連，可以避免壓力繼續(xù)升高，此時相當(dāng)于增加了一個自由度，類似于負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)。

圖9 直動式三通減壓閥阻尼回路Fig.9 Damping circuit of direct acting three-way pressure reducing valve

與先導(dǎo)式溢流閥原理類似，先導(dǎo)式減壓閥的阻尼回路如圖10所示。

圖10 測壓點(diǎn)在后先導(dǎo)減壓閥阻尼回路Fig.10 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring point behind

先導(dǎo)溢流閥閥芯受力平衡方程為：

p2A2=K2x0

(8)

主減壓閥1閥芯受力平衡方程為：

(pB-p2)A1=K1x10

(9)

阻尼2的大小是固定的，阻尼2的壓力差與流量、流體的黏度有關(guān)。當(dāng)阻尼2沒有流量時，p2和pB壓力相等，當(dāng)阻尼1有液壓油流過時，阻尼1有壓力差，此時彈簧K2設(shè)置的壓力等于p2，小于減壓閥的出口壓力pB，存在調(diào)壓偏差，閥前測壓先導(dǎo)減壓閥的阻尼回路如圖11所示。

圖11 測壓點(diǎn)在前先導(dǎo)減壓閥阻尼回路Fig.11 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring pointin front

固定阻尼2的入口壓力為pB，出口壓力為p2，先導(dǎo)閥彈簧K2調(diào)定的壓力為：

pBA1=K2x0

(10)

當(dāng)阻尼2的壓力差大于彈簧K2設(shè)置的壓力時，減壓閥主閥口1面積減小，實現(xiàn)減壓?？梢钥闯鰷p壓閥以出口壓力位檢測目標(biāo)構(gòu)成閉環(huán)控制，先導(dǎo)閥彈簧K2設(shè)定的壓力即為減壓閥的出口壓力。

2 典型調(diào)速系統(tǒng)的阻尼回路

對液壓執(zhí)行元件進(jìn)行速度控制是液壓傳動系統(tǒng)的重要功能。液壓執(zhí)行元件的速度由流入液壓執(zhí)行元件的流量決定，根據(jù)系統(tǒng)提供的流量是否可變可分為恒流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)。恒流量系統(tǒng)中液壓執(zhí)行元件的調(diào)速通過分流實現(xiàn)。變流量系統(tǒng)中提供的總流量可以調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)分流控制與容積控制的結(jié)合。多個液壓執(zhí)行元件復(fù)合動作時需要不同液壓執(zhí)行元件之間通過壓力補(bǔ)償進(jìn)行流量分配。

2.1 定量泵系統(tǒng)的調(diào)速阻尼回路

恒流量系統(tǒng)單液壓執(zhí)行元件的調(diào)速回路如圖12所示，此時泵的出口壓力恒定，輸出流量恒定，液壓執(zhí)行元件的速度由節(jié)流閥2或節(jié)流閥3調(diào)整。

圖12 定量泵單執(zhí)行元件調(diào)速回路Fig.12 Speed regulating circuit of quantitative pump with single actuator

根據(jù)流量守恒得到方程：

qp=q1+q2

(11)

根據(jù)壓力平衡得到方程：

pp=pL+Δp

(12)

流經(jīng)節(jié)流閥2的流量為：

(13)

為保證節(jié)流閥的壓力差恒定，可以采用調(diào)速閥。調(diào)速閥的阻尼回路原理圖如圖13所示，節(jié)流口2前設(shè)置定差減壓閥1，保證節(jié)流口2的壓力差恒定。如果壓力差大于設(shè)定值，減壓閥1減小開口，減壓作用增大；如果壓力差小于設(shè)定值，減壓閥1節(jié)流口面積增大，減壓作用減小。減壓閥1全部打開后，失去調(diào)控作用。

圖13 閥前補(bǔ)償調(diào)速閥阻尼回路Fig.13 Damping circuit of flow control valve with compensator in front

壓力補(bǔ)償器也可安裝在節(jié)流閥后面，即閥后補(bǔ)償。阻尼回路如圖14所示。

圖14 閥后補(bǔ)償調(diào)速閥阻尼回路Fig.14 Damping circuit of flow control valve with compensator behind

壓力補(bǔ)償器和節(jié)流閥可以是并聯(lián)式的，即構(gòu)成三通流量閥，如圖15所示。三通流量閥2采用分流原理實現(xiàn)速度控制，入口壓力可以跟隨負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，即構(gòu)成負(fù)載敏感系統(tǒng)(Load Sensing System，LSS)[12-13]。

圖15 三通流量閥阻尼回路Fig.15 Damping circuit of three way flow control valve

由三通流量閥構(gòu)成的定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)如圖16所示。

圖16 定量泵LS系統(tǒng)阻尼回路Fig.16 Damping circuit of quantitative pump LSS

泵的出口壓力為：

pp=pL+Δp

(14)

其中節(jié)流口1的壓力差Δp為：

(15)

由圖16可以看出泵的出口壓力跟隨負(fù)載變化，僅比負(fù)載大恒定的值Δp，該值由三通流量閥2的彈簧調(diào)定。由于降低了系統(tǒng)的壓力裕度，系統(tǒng)壓力跟隨負(fù)載壓力變化，可以實現(xiàn)泵站總功率的降低，同時節(jié)流閥1的壓力差保持恒定，實現(xiàn)了對執(zhí)行元件速度的線性控制。

定量泵控制2個液壓執(zhí)行元件的LS系統(tǒng)阻尼回路如圖17所示。

圖17 定量泵負(fù)載敏感系統(tǒng)Fig.17 Load sensing system with quantitative pump

2.2 負(fù)載敏感泵LS系統(tǒng)阻尼回路

定量泵LS系統(tǒng)中由于泵提供的流量是恒定的，流量多于液壓執(zhí)行元件需求的流量，存在溢流損失，因此采用變量泵的LS系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率，系統(tǒng)原理如圖18所示。通過變量泵的變量實現(xiàn)流量按需供給，沒有多余的流量，沒有溢流損失，提高了系統(tǒng)效率。

圖18 負(fù)載敏感泵LS系統(tǒng)阻尼回路Fig.18 Damping circuit of LS system with LS pump

2.3 LUDV系統(tǒng)阻尼回路

圖18所示的系統(tǒng)為閥前補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)，即壓力補(bǔ)償器在節(jié)流閥前面。當(dāng)系統(tǒng)需求的流量超過液壓泵提高的最大流量時，此時節(jié)流閥的壓力差降低，壓力補(bǔ)償器開口面積最大，失去調(diào)整作用，此時流量全部流向低壓負(fù)載，高壓負(fù)載停止動作，失去復(fù)合動作功能。為解決流量飽和時負(fù)載之間的流量分配問題，可采用閥后補(bǔ)償負(fù)載敏感系統(tǒng)，即LUDV系統(tǒng)。LUDV是德語Lastdruck Unabh?ngige Durchfluss Verteilung的縮寫，譯為負(fù)載獨(dú)立流量分配，或與負(fù)載無關(guān)流量分配。與LS系統(tǒng)的不同之處是壓補(bǔ)償閥在節(jié)流閥后，同時壓力補(bǔ)償閥的反饋壓力是負(fù)載的最大壓力[14-16]，LUDV系統(tǒng)原理如圖19所示。

LUDV系統(tǒng)的流量守恒方程為：

qp=q1+q2

(16)

壓力回路方程為：

pp=pL1+Δpv1+Δpc1=pL2+Δpv2+Δpc2

(17)

壓力補(bǔ)償器1閥芯的受力平衡方程為：

Kx1=(pv1-pLS)A=(pp-Δpv1-pLS)A

(18)

壓力補(bǔ)償器2閥芯的平衡方程為：

Kx2=(pv2-pLS)A=(pp-Δpv2-pLS)A

(19)

對式(19)和式(18)求比值得到：

(20)

式中,x1，x2為壓力補(bǔ)償器閥芯的位移；Δpv1，Δpv2為主節(jié)流閥的壓力差，c為pp-pLS，假定在流量飽和時2個主節(jié)流閥的給定面積相等，支路1的負(fù)載小于支路2的負(fù)載，假設(shè)此時輕載支路的流量大，Δpv1大于Δpv2，可以得到x1小于x2，即補(bǔ)償器1的面積過流面積小于補(bǔ)償器2的過流面積，實現(xiàn)低壓壓力補(bǔ)償作用大于高壓側(cè)壓力補(bǔ)償作用，避免流量全部流向輕載荷側(cè)，避免流量飽和時重負(fù)載支路停止運(yùn)動，有利于保證多執(zhí)行元件的復(fù)合動作。

3 結(jié)論

本研究探討了液壓阻尼回路在液壓傳動教學(xué)中的應(yīng)用，結(jié)論如下：

(1) 由溢流閥和減壓閥的阻尼回路原理圖可以看出都是采用壓力反饋控制原理，減壓閥的測壓點(diǎn)在后，溢流閥的測壓點(diǎn)在前，減壓閥的阻尼口常開，溢流閥的阻尼口常閉。帶彈簧的單向閥與直動溢流閥、順序閥的阻尼回路相同；

(2) 通過阻尼回路理論可以清晰的分析液壓傳動中的開環(huán)控制與閉環(huán)控制，即有的元件或系統(tǒng)是開環(huán)控制，有的是閉環(huán)控制，而且閉環(huán)控制還存在反饋檢查點(diǎn)位置的差異；

(3) 液壓元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作原理相同的元件可以有不同的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，國標(biāo)液壓符號是唯一的，液壓阻尼回路也是唯一的，用阻尼回路來描述和分析工作原理更詳細(xì)，能反應(yīng)液壓元件或液壓系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，更容易使學(xué)生理解和學(xué)習(xí)液壓元件和系統(tǒng)的工作機(jī)理。阻尼回路教學(xué)方法是采用國標(biāo)液壓符號教學(xué)方法的有益補(bǔ)充；

(4) 通過阻尼回路介紹了液壓系統(tǒng)中調(diào)速回路的演化過程，定量定壓調(diào)速系統(tǒng)效率低，負(fù)載敏感系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓力跟隨，減小能量損失；

(5) 目前行走機(jī)械中廣泛采用的LS系統(tǒng)和LUDV系統(tǒng)，通過LS和LUDV系統(tǒng)的阻尼回路可以看出壓力補(bǔ)償器的位置不同，LS系統(tǒng)壓力補(bǔ)償器在前，LUDV系統(tǒng)壓力補(bǔ)償器在后；

(6) 負(fù)載口獨(dú)立(閥口獨(dú)立)技術(shù)也是研究的熱點(diǎn)，目前尚未寫入液壓傳動教材中，基于阻尼回路可以很容易的將負(fù)載口獨(dú)立技術(shù)引入到液壓傳動的教學(xué)中。