李忠山，范久臣，馬宇姝

(北華大學(xué)機械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 前言

油溫對液壓系統(tǒng)和元件的各項性能有很大的影響［1］。油溫過高，液壓油的黏度降低，會出現(xiàn)油膜強度下降、系統(tǒng)泄漏增加、元件磨損加劇、縮短元件壽命等故障［2－3］。即使油液溫度在液壓油允許的范圍內(nèi)變化也會對系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生影響，在進行溢流閥啟閉特性實驗中，常常因為油液溫度升高而使系統(tǒng)壓力升不到原來調(diào)定的壓力。為了研究油溫變化對定量泵溢流閥系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力的影響，對QCS003實驗臺進行改動后進行了試驗，試驗回路如圖1所示。

圖1 試驗回路

1 試驗過程［4］

實驗一:關(guān)閉節(jié)流閥4，旋松溢流閥3的調(diào)壓手柄，啟動液壓泵1，調(diào)節(jié)溢流閥3～7 MPa(壓力表2)，打開換向閥5，把壓力表6的開關(guān)打開檢測溢流閥7的入口處壓力，調(diào)節(jié)溢流閥7使壓力調(diào)定在5 MPa，觀察溫度表，當(dāng)油液溫度為20℃時關(guān)閉溢流閥3，把溢流閥7重新調(diào)定在5 MPa并鎖緊調(diào)壓手柄。每隔5℃記錄一組流量值、系統(tǒng)壓力ps(壓力表6)和背壓值p1(壓力表8)，檢測溫度范圍為20℃～65℃。

實驗二:考慮到溢流閥7的出口與換向閥9和流量計10相接，會使溢流閥7的出口處產(chǎn)生較大的背壓，為了對比溢流閥出口有背壓和無背壓兩種情況，將溢流閥7出口與油箱直接相通，重復(fù)試驗一，測得系統(tǒng)壓力p2(壓力表6)。

實驗三:為分析流量變化對系統(tǒng)壓力的影響，實驗測試在調(diào)定壓力為5 MPa，油溫為40℃時溢流閥7的壓力流量特性曲線。

2 試驗數(shù)據(jù)整理和分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)的整理

為了分析試驗數(shù)據(jù)，把試驗數(shù)據(jù)整理成以下曲線。圖2是系統(tǒng)壓力隨油液溫度變化的曲線，其中ps曲線是溢流閥7的出口接換向閥9和流量計10的情況下測得的，p2曲線是溢流閥7的出口直接接油箱時測得的;圖3是溢流閥出口背壓隨油液溫度變化的曲線;圖4是流過溢流閥的流量隨油液溫度變化曲線;圖5是溢流閥7在油液溫度為40℃，調(diào)定壓力為5 MPa狀態(tài)下的閉合曲線。

圖2 系統(tǒng)壓力隨油液溫度變化曲線

圖3 溢流閥出口背壓變化曲線

圖4 溢流閥的流量隨油液溫度變化曲線

圖5 溢流閥閉合特性曲線

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2中ps的曲線可看出，隨著油液溫度的升高系統(tǒng)壓力會下降。到65℃時降低到20℃時調(diào)定壓力的94%左右。通過對測得的曲線分析，系統(tǒng)壓力降低的原因主要有3個方面:

(1)溢流閥出口背壓變化的影響。通過圖2中的兩條曲線對比，可以看出，溢流閥的出口背壓會影響系統(tǒng)的壓力，當(dāng)溢流閥出口直接接油箱(背壓接近為零)時，系統(tǒng)的壓力受油液溫度變化的影響變小，65℃時的系統(tǒng)壓力是20℃時系統(tǒng)壓力的96%，少變化了2%。這是因為溢流閥的出口背壓隨著油液溫度的變化而發(fā)生了改變，如圖3所示。由于溢流閥的先導(dǎo)閥出口接到主閥的出口，溢流閥的出口背壓作用到先導(dǎo)閥的閥芯上，則先導(dǎo)閥閥芯的受力平衡方程為:

即溢流閥的調(diào)定壓力p是由彈簧力Fs、閥芯重力Fg、穩(wěn)態(tài)液動力Fy、摩擦力Ff以及出口背壓p1產(chǎn)生的力p1A之和決定的，隨著油液溫度升高，油液黏度減小，p1降低［5］，從而使先導(dǎo)閥的調(diào)定壓力p降低，進而使系統(tǒng)壓力降低。由于背壓p1是直接作用在先導(dǎo)閥閥芯上，其對系統(tǒng)壓力的影響，在數(shù)值上就等于p1的變化量，這從圖3的曲線上可以看出，本次試驗中背壓p1減小了0.1 MPa，占系統(tǒng)壓力5 MPa的2%，圖2中的兩條曲線相比較也相差2%(65℃時p2比ps少變化0.1 MPa)。

(2)通過溢流閥的流量變化的影響。在忽略支路泄漏的情況下，流過溢流閥的流量就是定量泵的輸出流量。在一定工作壓力、一定工作轉(zhuǎn)速下，泵的容積效率隨工作油溫的升高而降低［6］，從圖4來看，定量泵的輸出流量隨著油液溫度的升高而減少，65℃時減少到20℃時的94%左右。根據(jù)圖5可知，通過溢流閥流量減小會使溢流閥的系統(tǒng)壓力降低。圖4顯示出油液溫度從20℃升到65℃，使泵的流量減少了6%，結(jié)合圖5看，這部分流量變化引起系統(tǒng)壓力變化的量很小，約為系統(tǒng)壓力的0.5%以下。

(3)溢流閥主閥閥口壓降變化的影響。根據(jù)溢流閥的結(jié)構(gòu)，主閥芯上的阻尼孔和先導(dǎo)閥組成的油路與主閥閥口屬于并聯(lián)關(guān)系［7］，所以主閥閥口的壓降Δp和先導(dǎo)閥支路壓降相等，系統(tǒng)的壓力等于主閥閥口壓降Δp和溢流閥出口背壓p1之和。

由通過主閥閥口的流量公式［7］

式中:Cd為流量系數(shù);

A0為閥口通流面積;

Δp為閥口壓降。

由式(3)可知，閥口的壓降Δp隨著流量系數(shù)Cd的增大而減小。而閥口的流量系數(shù)Cd和閥口流動的雷諾數(shù)Re有關(guān)，

式中:v為閥口平均流速;

ν為液體的運動黏度;

Dh為閥口的水力直徑。

由于油液溫度的升高，油液的運動黏度ν減小，使閥口油液流動的雷諾數(shù)增大。而閥口的流量系數(shù)Cd是隨著雷諾數(shù)Re的增大而增大［8］，進而使主閥閥口的壓降Δp減小。由于錐閥閥口流量系數(shù)Cd隨著雷諾數(shù)Re變化的變化規(guī)律是［7］:隨著雷諾數(shù)Re的增大，流量系數(shù)Cd增大的速度逐漸變得緩慢。也就是隨著油液溫度的升高，壓降Δp的變化幅度變小。p2曲線顯示出隨油液溫度升高，系統(tǒng)壓力的變化逐漸變緩。

同一個系統(tǒng)在不同的調(diào)定壓力下，由于閥口通流面積A0的不同，Δp變化的數(shù)值會不同，通過測試也符合圖2中p2曲線的變化規(guī)律(經(jīng)過測試，溢流閥出口直接接油箱時，系統(tǒng)壓力在20℃時調(diào)定4 MPa，到50℃時，系統(tǒng)壓力降低了0.15 MPa，降低了調(diào)定壓力的3.75%)。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，定量泵溢流閥系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力隨著油液溫度的升高而降低，主要是由于隨著油液溫度的升高油液的黏度減小。油液的黏度減小，一方面使溢流閥回油管路的沿程損失和局部損失降低，這部分變化作用在溢流閥的先導(dǎo)閥閥芯上，相當(dāng)于旋松了溢流閥的調(diào)壓手柄，其對系統(tǒng)壓力的影響，在數(shù)值上就等于溢流閥出口背壓的變化量。如果重視不夠，對系統(tǒng)的定壓精度會有很大的影響;另一方面，使定量泵的容積效率下降，使通過溢流閥的流量減少，引起系統(tǒng)壓力降低。這是由定量泵和溢流閥的性能決定的，正常情況下對系統(tǒng)壓力影響較小;第三方面，使溢流閥閥口的流量系數(shù)增大，閥口流過相同流量的油液所產(chǎn)生的壓降減小。減小油液溫度變化對系統(tǒng)壓力影響的辦法主要是控制油液溫度的變化范圍并使系統(tǒng)油溫在50℃以上工作、減小溢流閥出口背壓、使用黏溫特性好的油液。

［1］李宏偉．影響40T支架搬運車液壓系統(tǒng)油溫的因素［J］．煤礦機械，2011(4):101－103．

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