李新福，陳倫軍，羅艷蕾，張繼明，王晉濤

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550003)

三通壓力補(bǔ)償器可應(yīng)用于定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中。該壓力補(bǔ)償器應(yīng)用在定量泵液壓系統(tǒng)中，并與節(jié)流閥配合，不僅解決了自動(dòng)壓力補(bǔ)償，保證負(fù)載變化時(shí)通過節(jié)流閥的流量基本穩(wěn)定，而且能夠使泵的出口壓力始終與負(fù)載相匹配，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，依此使得整個(gè)液壓系統(tǒng)的功率下降。

1 三通壓力補(bǔ)償器的工作原理及作用

三通壓力補(bǔ)償器在多路閥定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中的工作原理為當(dāng)回路中的各聯(lián)換向閥均處于中位，閥口關(guān)閉時(shí)，定量泵輸出的流量經(jīng)過三通壓力補(bǔ)償器流回油箱。此時(shí)壓力補(bǔ)償器彈簧敏感腔中遠(yuǎn)程遙控口處無回路反饋壓力，泵輸出油液的壓力只要克服彈簧力即可打開壓力補(bǔ)償器進(jìn)行卸荷。卸荷壓力小，保證系統(tǒng)在怠速時(shí)功率耗損低。當(dāng)多路閥閥口開啟，油液經(jīng)過多路閥進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此時(shí)通過多層次高壓優(yōu)先梭閥網(wǎng)絡(luò)的選擇，將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最高壓力引回至三通壓力補(bǔ)償器彈簧敏感腔。此時(shí)三通壓力補(bǔ)償器不僅有負(fù)載壓力補(bǔ)償?shù)淖饔?，即保持?jié)流器閥口前后壓差不變，保證節(jié)流口輸出流量恒定，使執(zhí)行元件的速度不受壓力變化的影響，同時(shí)具有負(fù)載自適應(yīng)能力，即在液壓系統(tǒng)工作在負(fù)載不斷變化的工況下，三通壓力補(bǔ)償器總是使定量泵出口壓力實(shí)時(shí)地僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)定壓差。

2 三通壓力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)原理

三通壓力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖如圖1，其表示符號(hào)如圖2。

圖1 定差溢流型三通壓力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)圖

圖2 補(bǔ)償器符號(hào)

主要由閥體、主閥、主閥彈簧、調(diào)節(jié)螺母等主要零件組成。閥芯的左端與閥體、端蓋之間形成壓力腔;右端與閥體、端蓋、遠(yuǎn)程控制口等形成彈簧壓力腔。調(diào)節(jié)彈簧壓力腔端的調(diào)節(jié)螺母，可改變彈簧的預(yù)壓縮量，進(jìn)而調(diào)節(jié)卸荷壓差。

當(dāng)液壓回路工作穩(wěn)定，三通壓力補(bǔ)償器閥芯左右兩端受力平衡。

其中:Ft=k(ΔX+X)

p1為閥芯左端壓力腔的壓力;p2為閥芯右端彈簧腔處的壓力;Ad為閥芯的橫截面積;Ft為彈簧力;Fs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;Ff為摩擦力;k為彈簧的剛度;ΔX為閥芯的開口量;X為彈簧的預(yù)壓縮量;XD為閥芯的搭合量; CQ為流量系數(shù);CV為流速系數(shù);pp為閥進(jìn)油口壓力; α為流經(jīng)滑閥的液流速度方向角;d為閥芯直徑。

因?yàn)槿▔毫ρa(bǔ)償器在靜態(tài)工作時(shí)，其穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fs和摩擦力Ff都非常的小，可以忽略不記，此時(shí)式(1)可簡(jiǎn)化為:

3 建立三通壓力補(bǔ)償器的仿真模型

根據(jù)多路閥定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖，結(jié)合各個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)原理圖，在AMESim中搭建三通壓力補(bǔ)償器的系統(tǒng)仿真模型如圖3。

圖3 定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)仿真圖

3.1 參數(shù)的設(shè)置

閥類零部件主要參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 閥類零部件主要參數(shù)

3.2 液壓缸負(fù)載及多路閥開口量的參數(shù)設(shè)置

液壓缸5、液壓缸6負(fù)載設(shè)置如圖4所示。曲線1為液壓缸5負(fù)載設(shè)置及變化情況:在時(shí)間為05 s時(shí)負(fù)載為5 500 N;510 s時(shí)負(fù)載由5 500 N線性降到4 500 N;1017 s時(shí)負(fù)載為4 500N。曲線2為液壓缸6負(fù)載設(shè)置及變化情況:05 s時(shí)負(fù)載為6 000 N;510 s負(fù)載由7 000 N線性降到6 000 N;1017 s時(shí)負(fù)載為6 000 N。

多路閥7、8開口量參數(shù)設(shè)置如圖5所示。05 s、15 s以后多路閥關(guān)閉，55.01 s多路閥由關(guān)閉到全開，5.0114.99 s多路閥全開，14.9915 s多路閥由全開到關(guān)閉。

圖4 液壓缸負(fù)載參數(shù)設(shè)置

圖5 多路閥的開口量設(shè)置

4 三通壓力補(bǔ)償器的仿真分析

三通壓力補(bǔ)償器流量、閥芯位移隨時(shí)間的變化曲線分別如圖6、圖7所示。05 s、15 s以后多路閥7、多路閥8均處于關(guān)閉狀態(tài)，通往液壓缸的油路斷開。05 s、15 s以后油泵打出的液壓油通過管道進(jìn)入三通壓力補(bǔ)償器右腔，此時(shí)補(bǔ)償器左腔無壓力油，右腔的高壓油液迅速推動(dòng)閥芯左移克服左腔彈簧力打開壓力補(bǔ)償器使泵卸荷。由圖8可知，此段時(shí)間內(nèi)，泵的卸荷壓力穩(wěn)定在2 MPa左右，低于其油路工作時(shí)的壓力。此現(xiàn)象表現(xiàn)出了三通壓力補(bǔ)償器在系統(tǒng)回路不工作時(shí)，對(duì)油泵的卸荷作用，降低能耗。

圖6 三通壓力補(bǔ)償器流量-時(shí)間曲線圖

圖7 三通壓力補(bǔ)償器閥芯位移-時(shí)間曲線圖

510 s時(shí)，多路閥7、多路閥8處于完全開啟的狀態(tài)，系統(tǒng)油路聯(lián)通。此段時(shí)間內(nèi)，液壓缸5、液壓缸6的負(fù)載壓力分別由原來的7 000 N，5 500 N線性降低為6 000 N，4 500 N。由圖8可知，在510 s時(shí)泵的出口壓力從2 MPa迅速上升到工作壓力，并隨作用在液壓缸上負(fù)載的下降，工作壓力隨之相應(yīng)下降。此現(xiàn)象表現(xiàn)出了三通壓力補(bǔ)償器的負(fù)載適應(yīng)能力。即當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)載為變量時(shí)，使泵的出口壓力比負(fù)載壓力高出一定差值，與負(fù)載匹配，避免不必要的能量損失，實(shí)現(xiàn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的節(jié)能。

有圖9、圖10可知在此期間多路閥7、多路閥8的進(jìn)出口壓力差均保持在2 MPa左右，并隨負(fù)載的變小壓力變小。此處也印證了圖8的正確性。此處的壓差恒定則表現(xiàn)出了三通壓力補(bǔ)償器的負(fù)載補(bǔ)償作用。由圖6、圖7可知，此段時(shí)間內(nèi)壓力補(bǔ)償器的閥芯右移，溢流口開度減小，流量減小。且溢流量為泵輸出給液壓缸5、液壓缸6的流量多余量。

圖8 泵出口壓力及流量曲線圖

圖9 多路閥7進(jìn)出口壓力曲線圖

1015 s時(shí)，多路閥7、多路閥8仍處于完全開啟的狀態(tài)，液壓缸5、液壓缸6上的負(fù)載均處于恒定狀態(tài)。由圖8可知泵出口壓力穩(wěn)定在6.5 MPa左右，壓力補(bǔ)償器的閥芯位移變化量處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1015 s時(shí)三通壓力補(bǔ)償器的閥芯位移變化率與5-10 s期間的變化率相比要小。其主要影響因素在于5-10s時(shí)，系統(tǒng)上的負(fù)載為變化量，三通壓力補(bǔ)償器的負(fù)載適應(yīng)性保證了泵的出口壓力隨負(fù)載相適應(yīng)，所以閥芯移動(dòng)量在變化。1015 s期間兩負(fù)載恒定，由圖7可看出在此段時(shí)間內(nèi)壓力補(bǔ)償器的閥芯穩(wěn)定，但不恒定。主要影響因素為敏感腔的彈簧和初壓縮量。其中彈簧剛度影響最為主要。比較圖7與圖11，彈簧剛度為50 N/mm時(shí)三通壓力補(bǔ)償器閥芯的穩(wěn)定性比彈簧剛度為10 N/mm時(shí)要好?？芍獜椈蓜偠仍酱?，閥芯位移穩(wěn)定性越好，閥芯位移量有所增加。

圖10 多路閥8的進(jìn)出口壓力曲線圖

圖11 彈簧剛度為50 N/mm時(shí)三通壓力補(bǔ)償器閥芯位移曲線圖

5 結(jié)論

(1)定量泵壓力補(bǔ)償系統(tǒng)中，在多路閥處于中位不工作時(shí)，由三通壓力補(bǔ)償器對(duì)泵實(shí)現(xiàn)卸荷，對(duì)泵起到降壓和保護(hù)作用。同時(shí)三通壓力補(bǔ)償器卸荷壓力小，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不工作時(shí)的節(jié)能。

(2)由文中理論分析和AMESim的一系列仿真結(jié)果曲線，可以得出當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，三通壓力補(bǔ)償器保證了負(fù)載變化時(shí)多路閥進(jìn)口與出口壓力差的恒定，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合操作時(shí)與負(fù)載變化無關(guān)的流量分配，即流過多路閥流量的大小只與閥芯位移有關(guān)，與負(fù)荷變化無關(guān)。

(3)三通壓力補(bǔ)償器不僅能夠很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)流器前后壓差不變即壓力補(bǔ)償器的負(fù)載補(bǔ)償作用，而且還能使泵的出口壓力實(shí)時(shí)地僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)定壓差，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載壓力適應(yīng)作用。

(4)系統(tǒng)工作時(shí)，定量泵的出口壓力取決于負(fù)載，可以在原始三通壓力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個(gè)安全閥，使三通壓力補(bǔ)償器同時(shí)具有對(duì)整個(gè)回路保護(hù)作用，同時(shí)可減少液壓回路元件數(shù)和油路連接復(fù)雜度。

(5)三通壓力補(bǔ)償器彈簧腔彈簧剛度影響該閥芯運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和位移量。合理選取彈簧剛度可提高三通壓力補(bǔ)償器的使用性能。

【1】孔曉武.多路換向閥的基本特性與新發(fā)展(一)［J］.礦山機(jī)械，2005(8):144-148.

【2】毛智勇.三通壓力補(bǔ)償閥的設(shè)計(jì)與研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(3):15-16.

【3】羅艷蕾，白華，白玉珠.定量泵系統(tǒng)中多路閥出口壓力補(bǔ)償特性的仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2011(9):58-61.

【4】劉會(huì)永，劉宗宏，牟東，等.壓力補(bǔ)償器在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2010(6):170-172.

【5】王維東，陳忠強(qiáng)，黃新年.壓力補(bǔ)償器在液壓調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.流體傳動(dòng)與控制，2005(9):18-20.

【6】丁明，薄繼康.定差溢流閥及其靜態(tài)特性的研究［J］.江蘇:煤炭，1997(4):18-20.

【7】付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.