羅艷蕾 陳倫軍

貴州大學，貴陽，550025

0 引言

目前較為先進的工程機械液壓系統(tǒng)都采用了負荷傳感（load sensing）與壓力補償技術(shù)［1］。負荷傳感壓力補償多路閥是隨著液壓技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型液壓元件，它由普通多路閥與壓力補償閥等液壓元件集成，當壓力補償閥設置在多路閥的出口油路中，它具有一些獨特的特性［2－4］：能根據(jù)負載大小對負荷傳感泵進行控制，實現(xiàn)按需供液；能實現(xiàn)單液壓泵驅(qū)動多執(zhí)行機構(gòu)的復合動作，液壓系統(tǒng)簡單，并能使同時工作的幾個執(zhí)行元件在運動時互不干擾；在復合操作時，能實現(xiàn)與負載無關(guān)的流量分配，即各工作回路的速度不受負載變化的影響；負載波動大時，由于具有壓力補償作用，可消除因液動力變化造成的主閥芯上作用力的變化等。因此負荷傳感壓力補償多路閥組成的液壓系統(tǒng)可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量、壓力以及功率的匹配控制，使系統(tǒng)具有良好的節(jié)能特性和操控特性。正是由于它具有的這些獨特特性，國外將其廣泛應用于挖掘機、起重機、裝載機等機械中，特別是由于它可以采用單泵源供油實現(xiàn)多執(zhí)行機構(gòu)的復合動作，在工程機械、公路機械、農(nóng)業(yè)機械中也具有良好的應用前景。

當復合動作的多回路負載壓力不同或壓力發(fā)生變化時，在小負載回路中的壓力補償閥起壓力補償作用，為了有效減小系統(tǒng)壓力脈動的影響，補償閥中設置阻尼孔是必不可少的。本文分析出口壓力補償閥及其阻尼孔的作用，建立壓力補償過程的容腔壓力變化的數(shù)學模型，分析結(jié)構(gòu)尺寸對容腔壓力波動的影響，為補償閥設計提供理論分析依據(jù)。

1 負荷傳感壓力補償回路組成

以兩回路為例，負荷傳感多路閥的出口壓力補償回路組成原理［5］如圖1所示。壓力補償閥5、6設置在主閥3、4的出口處，最高負載壓力信號直接取自負荷傳感（LS）流道（圖中虛線），沒有梭閥結(jié)構(gòu)，兩部分之間直接通過液壓容腔相連，由壓力、流量實現(xiàn)兩部分之間的耦合，因此容腔中的壓力脈動情況對補償閥穩(wěn)定工作影響較大。

在某一工況下，由多路閥的結(jié)構(gòu)保證了LS流道壓力pLS取系統(tǒng)的最大負載壓力。若只有一個工作回路工作，pLS即為該回路的工作負載壓力；若有多個回路工作，為同時工作回路最大的負載壓力，如圖1中，pLS＝max（p2，p4）。

壓力補償閥5、6可實現(xiàn)的功能有：能夠控制執(zhí)行機構(gòu)的運動方向和運動速度；補償負載壓力的變化，使得各個換向閥進出口壓差不隨負載變化；取出執(zhí)行機構(gòu)回路的最高壓力，一是供自身進行壓力補償調(diào)節(jié)，二是作為負荷傳感泵1進行調(diào)節(jié)控制的反饋信號。

圖1 負荷傳感多路閥出口壓力補償回路組成原理

2 出口壓力補償閥的簡化物理模型

根據(jù)壓力補償閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，得到圖2所示的壓力補償閥的簡化物理模型。多路閥主閥的進油路和回油路分別簡化為節(jié)流口d1和T口；A口為執(zhí)行機構(gòu)的工作油路；B口為執(zhí)行機構(gòu)的回油路；h口為減壓口；f為補償閥芯中的固定薄壁小孔；g為補償閥芯中的細長孔流道，其作用是聯(lián)通壓力補償閥入口油液和LS流道油液，根據(jù)工作過程中壓力補償閥閥芯所處位置的不同，細長孔g與LS口之間打開或關(guān)閉；k為旁通阻尼孔；Vsq為壓力補償閥芯上腔體積；Vxq為壓力補償閥芯下腔體積；pb為泵的出口壓力；p1為多路閥主閥節(jié)流口d1的出口壓力，即補償閥的入口腔油液壓力；p2為負載口A對應的壓力；pg為細長阻尼腔g的壓力；pLS為LS流道的壓力，即多回路同時工作時最大負載對應的壓力；pk0為旁通油回油路的壓力，x為補償閥閥芯的位移。

圖2 壓力補償閥的簡化物理模型

3 旁通阻尼孔k的作用

在實際工作過程中，壓力補償閥不斷地進行上下補償運動，補償閥的上腔體積不斷改變，使得LS流道中的壓力會隨之產(chǎn)生波動。若不設置阻尼孔k，則流道中會出現(xiàn)壓力波動峰值、產(chǎn)生困油、引起多路閥的振動和噪聲等現(xiàn)象，嚴重時產(chǎn)生氣穴和氣蝕。設置阻尼孔k，可減小壓力波動、降低噪聲、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，設置的阻尼孔結(jié)構(gòu)尺寸有要求，如果孔徑太大或阻尼孔長度太小，則阻尼作用太小，無法建立LS流道所需的壓力，同時使泄漏流量增加，增大了系統(tǒng)的能量損失；反之，阻尼孔易堵塞，阻尼作用太大，不能正常發(fā)揮作用。

因此，旁通阻尼孔的作用是在保證建立LS流道壓力的同時，使少量油液流回油箱或從油箱吸入少量油液，以補償在壓力補償過程中產(chǎn)生的流量脈動量，防止LS流道出現(xiàn)困油現(xiàn)象，并削弱部分壓力的脈動量。合理設計阻尼孔k的結(jié)構(gòu)尺寸，可使LS腔油壓升壓速度變緩，增強系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。

4 壓力補償閥旁通阻尼孔數(shù)學模型的建立

根據(jù)流量壓力方程、流量連續(xù)性方程及補償閥閥芯的力平衡方程，建立旁通阻尼孔k在補償閥工作過程的動態(tài)數(shù)學模型。

4.1 阻尼特性的數(shù)學模型

阻尼孔k為細長小孔，油液的流動為層流型［6－8］，其壓力流量特性方程為

式中，Qk為流過旁通阻尼孔k的流量，m3／s；Kpk為阻尼孔k的流量壓力系數(shù)；p0為回油箱油路的壓力，MPa；dk為旁通阻尼孔k的直徑，m；lk為流過旁通阻尼孔k的長度，m；μ為動力黏度系數(shù)，N·s／m2。

阻尼孔k在補償閥上腔產(chǎn)生的運動阻力Fsqn為

式中，ALS為壓力補償閥芯上腔面積，m2。

根據(jù)流量連續(xù)性原理：

式中，v為補償閥閥芯的運動速度，m／s。

則

其阻尼系數(shù)Cvk為

大的阻尼系數(shù)能產(chǎn)生大的阻尼作用，影響阻尼系數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有補償閥閥芯面積ALS、阻尼孔k的長度lk和直徑dk。

4.2 旁通阻尼孔k對補償閥LS腔壓力影響的數(shù)學模型

由閥芯受力平衡方程以及流量連續(xù)性方程［9］，得到補償閥LS腔動態(tài)特性的數(shù)學模型：

式中，E為油液的體積彈性模量，Pa；Kstx為多路閥上腔泄漏系數(shù)，m5／（N·s）；KpLS為LS口流量－壓力系數(shù)；KqLS為LS口流量增益；M 為補償閥閥芯的質(zhì)量，kg；Kcn為補償閥閥芯運動的黏性阻尼系數(shù)，N·s／m；g 為重力加速度。

5 旁通阻尼孔k的特性分析

5.1 旁通阻尼孔k的結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻尼系數(shù)的影響［10］

結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對阻尼孔k的阻尼系數(shù)的影響如圖3所示。隨著阻尼孔直徑的增大，阻尼系數(shù)急劇減?。辉谧枘峥譳長度一定的條件下，隨著補償閥閥芯直徑的增大，阻尼系數(shù)增大；在補償閥閥芯直徑一定的條件下，隨著阻尼孔長度的增大，其阻尼系數(shù)也增大。

圖3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對阻尼孔k的阻尼系數(shù)的影響

5.2 旁通阻尼孔k的壓力流量特性

圖4所示為阻尼孔k的壓力流量特性。阻尼孔的流量隨著壓差Δpk的增大而增大；在阻尼孔k長度一定的條件下，隨著阻尼孔k直徑的增大而增大；在阻尼孔k直徑一定的條件下，隨著阻尼孔k長度的增大而減小。

圖4 阻尼孔k的壓力流量特性

5.3 旁通阻尼孔k的結(jié)構(gòu)參數(shù)對補償閥LS腔壓力的影響

5.3.1 阻尼孔k直徑的影響［11］

補償閥LS腔壓力隨阻尼孔k的直徑大小的變化如圖5所示?？讖叫?，壓力從0上升到25MPa的時間長，阻尼大，壓力變化量dpLS／dt小；孔徑大，阻尼作用弱，但壓力變化量dpLS／dt大。合理的孔徑在保證系統(tǒng)快速響應的同時，又能使壓力的變化量不大。

5.3.2 阻尼孔k長度的影響

阻尼孔k長度對LS流道壓力的影響如圖6所示。阻尼孔k的長度值越大，阻尼作用也越大，壓力上升時間長，壓力值的變化量dpLS／dt減小。

5.4 補償閥上腔容積的影響

補償閥上腔容積對LS流道壓力的影響如圖7所示。補償閥上腔容積Vsq小，LS流道壓力上升時間短，壓力變化率dpLS／dt大；容腔體積大，可減緩LS流道壓力的變化量，但其響應時間變長。

6 結(jié)論

（1）阻尼孔直徑過大或長度過小，則阻尼力減小，由于結(jié)構(gòu)的限制，不能實現(xiàn)阻尼腔達到需要的壓力值，同時也增大了系統(tǒng)的損失。若阻尼孔直徑過小，則對液流阻力加大，動態(tài)過渡時間變長，同時阻尼孔容易堵塞，不能發(fā)揮阻尼作用，影響液壓系統(tǒng)正常工作。若阻尼長度太大，則阻尼系數(shù)會急劇增大，阻尼作用也越大，壓力上升時間變長，但壓力值的變化量減小，可減小阻尼腔的壓力波動。

圖5 阻尼孔k直徑對LS流道壓力的影響（lk＝2mm）

圖6 阻尼孔k長度對LS流道壓力的影響（dk＝0.7mm）

圖7 補償閥上腔容積對LS流道壓力的影響

（2）補償閥上腔容積與補償閥閥芯直徑和補償閥閥體長度有關(guān)，補償閥上腔容積小，LS流道壓力上升時間短，壓力變化率高；容腔體積大，可減緩LS流道壓力的變化速度，減小阻尼腔的壓力波動。

（3）在保證阻尼腔（LS腔）壓力的前提下，盡量減少泄漏損失、降低壓力波動和縮短響應過程時間。通過阻尼孔結(jié)構(gòu)尺寸對動特性的影響規(guī)律的分析，得出一般阻尼孔直徑在0.6～0.8mm、長度在2mm左右是比較合理的。

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