朱石沙, 吳彥波, 匡　萍, 羅炎熱

(1. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411105； 2. 湖南鴻輝科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

?

新型負(fù)載敏感平衡閥設(shè)計(jì)與裝機(jī)試驗(yàn)

朱石沙1, 吳彥波1, 匡萍1, 羅炎熱2

(1. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411105； 2. 湖南鴻輝科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

介紹了一種帶折疊臂架的機(jī)械用新型負(fù)載敏感平衡閥,對(duì)其工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述.平衡閥芯采用節(jié)流孔組合的節(jié)流形式,借助MATLAB對(duì)節(jié)流口過流面積特性曲線進(jìn)行擬合,當(dāng)負(fù)載壓力改變時(shí),通過控制平衡閥芯位移,調(diào)節(jié)過流面積,達(dá)到穩(wěn)定流量的目的.上述設(shè)計(jì)使得該閥不僅具有多級(jí)調(diào)節(jié)功能,而且負(fù)載敏感性得到提升.為了測(cè)試該閥在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的性能,在混凝土泵車上進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn).結(jié)果表明：該閥控制壓力低,降低了系統(tǒng)功耗,負(fù)載敏感特性表現(xiàn)良好；臂架運(yùn)行平穩(wěn),穩(wěn)定性得到提升.

負(fù)載敏感; 平衡閥; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 裝機(jī)試驗(yàn)

平衡閥在混凝土泵車、起重機(jī)、高空作業(yè)車等帶折疊臂架的現(xiàn)代工程機(jī)械中應(yīng)用廣泛,其工作負(fù)載隨著臂架間角度的變化而頻繁變化,因而在上升、下降和空中定位靜止等典型工況下對(duì)平衡閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求都相當(dāng)高[1-3].傳統(tǒng)的平衡閥由于控制壓力偏高,系統(tǒng)功率損失嚴(yán)重,而且節(jié)流口過流面積的大小不能根據(jù)負(fù)載的改變而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),容易造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)低頻抖動(dòng)[4-6].為了解決上述問題,設(shè)計(jì)了一種新型的負(fù)載敏感平衡閥[7].當(dāng)負(fù)載壓力發(fā)生變化時(shí),該閥將負(fù)載信號(hào)反饋給彈簧腔,通過反饋壓力使平衡閥芯移動(dòng),進(jìn)而調(diào)整過流面積,達(dá)到維持流量穩(wěn)定的目的.同時(shí),為實(shí)現(xiàn)臂架空中自鎖,防止臂架自由下落,平衡閥芯采用錐閥結(jié)構(gòu),并將高壓油引入彈簧腔來實(shí)現(xiàn)零泄露.為了測(cè)試該閥在實(shí)際工況下的性能,在混凝土泵車上進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn).

1　新型負(fù)載敏感平衡閥原理與結(jié)構(gòu)

該閥采用負(fù)載敏感原理[8-9],將負(fù)載信號(hào)引入平衡閥彈簧腔,彈簧力和負(fù)載信號(hào)產(chǎn)生的反饋力共同作用在閥芯側(cè),與先導(dǎo)控制壓力平衡,通過改變平衡閥芯位移,調(diào)整節(jié)流口過流面積,降低流量波動(dòng),實(shí)現(xiàn)負(fù)載運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行；閥內(nèi)設(shè)置的單向閥具有正向?qū)?、反向截止功能；閥內(nèi)設(shè)置的溢流閥具有防止壓力沖擊的功能.

該閥的工作原理如圖1所示.A為進(jìn)油口,B為負(fù)載油口,C為先導(dǎo)控制油口.由于設(shè)置了單向閥2,油口A到油口B實(shí)現(xiàn)正向?qū)?反向截止；由于設(shè)置了溢流閥3,當(dāng)負(fù)載壓力過大時(shí),可防止壓力沖擊；通過先導(dǎo)控制油口C的控制,油口B到油口A可根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)不同程度的限流.

1—主閥；2—單向閥；3—溢流閥.圖1　新型負(fù)載敏感平衡閥工作原理Fig.1　Operation principle of the new kind of load-sensing counterbalance valve

該閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由閥體1、控制閥芯2、平衡閥芯(閥頭4和閥桿5)、先導(dǎo)閥芯8、溢流閥芯10等組成,結(jié)合該閥的3個(gè)典型工況介紹其具體工作過程.正向開啟時(shí),平衡閥芯在進(jìn)油腔a的壓力pa作用下向右移動(dòng),平衡閥正向開啟,油口A到油口B的油路處于導(dǎo)通狀態(tài).反向截止時(shí),負(fù)載腔b的壓力pb和彈簧6及彈簧9的彈力共同作用在平衡閥芯右側(cè),通過錐閥結(jié)構(gòu)的閥頭4實(shí)現(xiàn)零泄漏,油口B到油口A的油路處于截止?fàn)顟B(tài).反向開啟時(shí),負(fù)載腔b的壓力pb和彈簧6的彈力作用在平衡閥右側(cè),先導(dǎo)控制壓力pc作用在控制閥芯2左側(cè),通過支撐桿3推動(dòng)先導(dǎo)閥芯8開啟,使得進(jìn)油腔a和彈簧腔d連通,負(fù)載腔b和腔e連通,隨著控制閥芯的繼續(xù)右移,平衡閥芯打開,油口B到油口A的油路處于導(dǎo)通狀態(tài).此時(shí),左側(cè)的先導(dǎo)控制壓力pc與右側(cè)的負(fù)載壓力pb和彈簧6的彈力通過控制平衡閥芯的移動(dòng),改變節(jié)流口過流面積,起到限流的作用.

1—閥體；2—控制閥芯；3—支撐桿；4—閥頭；5—閥桿；6—彈簧；7—隔離塊；8—先導(dǎo)閥芯；9—彈簧；10—溢流閥芯.圖2　新型負(fù)載敏感平衡閥結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of the new kind of load-sensing counterbalance valve

該閥設(shè)計(jì)參數(shù)：額定流量為60 L/min,額定壓力為32 MPa,先導(dǎo)控制壓力為2～6 MPa,正向壓力損失為0.7 MPa.

2　平衡閥芯設(shè)計(jì)與分析

平衡閥的主要作用是限制流量,建立穩(wěn)定背壓.其中,節(jié)流口的設(shè)計(jì)直接影響過流面積的變化,對(duì)整個(gè)平衡閥的控制特性至關(guān)重要,而過流面積特性曲線需要滿足限制流量的要求.該閥采用錐閥和滑閥結(jié)構(gòu)的組合方式作為節(jié)流口的密封形式,在保證鎖死工況下零泄漏的同時(shí)能夠獲得良好的流量調(diào)節(jié)特性.

2.1平衡閥芯行程分區(qū)

平衡閥的節(jié)流口有2種工作狀態(tài)：正向開啟時(shí),平衡閥需要處于全通流狀態(tài)；反向開啟時(shí),平衡閥需要起限流作用.為此,平衡閥的過流面積曲線需要分成2段,平衡閥芯總行程設(shè)計(jì)為7 mm,0～5.5 mm為限流區(qū)間,5.5～7 mm為全通流區(qū)間.

根據(jù)負(fù)載敏感的概念,要求限流區(qū)間內(nèi),當(dāng)先導(dǎo)控制壓力穩(wěn)定時(shí),平衡閥流量幾乎不受負(fù)載壓力變化的影響.此時(shí),負(fù)載壓力的變化通過改變平衡閥芯位移,調(diào)整節(jié)流口過流面積,而過流面積的變化對(duì)流量的影響剛好與負(fù)載壓力變化對(duì)流量的影響相抵消.節(jié)流口流量方程為

(1)

式中：Q——工作流量,L/min；

Cq——流量特性系數(shù)；

Av——可調(diào)的節(jié)流口過流面積,m2；

xv——平衡閥芯位移,m；

ρ——油液密度,kg/m3.

平衡閥芯位移方程為

(2)

式中：Ac——pc作用于控制閥芯的面積,m2；

Ab——pb作用于平衡閥芯的面積,m2；

F0——液動(dòng)力,N；

K——彈簧6的剛度,N/m.

由以上分析可知,確定平衡閥的先導(dǎo)控制壓力即可得到相匹配的工作流量.

2.2各區(qū)間行程計(jì)算分析

通過確定先導(dǎo)控制壓力和工作流量,可得到不同負(fù)載壓力下維持流量不變的節(jié)流口過流面積.但是,隨著先導(dǎo)控制壓力的增大，整個(gè)工作區(qū)間的變化關(guān)系曲線是不同的,需要分段設(shè)計(jì),使平衡閥具有多級(jí)調(diào)速功能,所以將過流面積隨閥芯位移的變化曲線在限流區(qū)間分為3段(微動(dòng)區(qū)間、慢速運(yùn)動(dòng)區(qū)間和快速運(yùn)動(dòng)區(qū)間),各個(gè)區(qū)間均具有負(fù)載敏感特性,且存在緩慢過渡.

在微動(dòng)區(qū)間(0～2 mm),由于過流面積很小,直接采用線性關(guān)系曲線.為使額定壓力32 MPa下獲得10 L/min的流量,該區(qū)間最大過流面積為

(3)

在慢速運(yùn)動(dòng)區(qū)間(2～4 mm),前0.5 mm為過渡區(qū)間,后1.5 mm為穩(wěn)定區(qū)間,穩(wěn)定流量為20 L/min.由式(1)和式(2)可知,當(dāng)負(fù)載壓力為20 MPa,平衡閥芯處于穩(wěn)定區(qū)間中點(diǎn)3.25 mm位移處,先導(dǎo)控制壓力為2.29 MPa.通過計(jì)算得出負(fù)載壓力在15～25 MPa范圍變化時(shí),平衡閥芯的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表1所以.

表1　平衡閥芯的數(shù)據(jù)

在快速運(yùn)動(dòng)區(qū)間(4～5.5 mm),需要流量維持在40 L/min,分析同上,不再具體說明.

在全通流區(qū)間(5.5～7 mm),要求額定流量下最小背壓為4 MPa.根據(jù)油液連續(xù)性方程,計(jì)算得出額定流量60 L/min下,節(jié)流口處產(chǎn)生3.5 MPa壓力損失的最大過流面積為

(4)

結(jié)合以上分析與計(jì)算結(jié)果,通過MATLAB編程可獲得平衡閥整個(gè)工作范圍內(nèi)的平衡閥芯位移—節(jié)流口過流面積特性曲線,如圖3所示.

圖3　過流面積特性曲線Fig.3　Characteristic curve of the open area

2.3過流面積特性曲線的擬合

為了保證閥芯受力均勻,設(shè)計(jì)采用分區(qū)間、多個(gè)節(jié)流小孔組合的形式來滿足節(jié)流口過流面積特性的要求,采用參數(shù)化程序設(shè)計(jì)的方式對(duì)其曲線進(jìn)行擬合.圖4為平衡閥芯環(huán)形小孔位置分布展開圖,共分為4排小孔,對(duì)應(yīng)著過流面積特性曲線的4個(gè)區(qū)間.各排節(jié)流小孔在平衡閥芯上根據(jù)節(jié)流面積區(qū)間呈階梯分布,各個(gè)區(qū)間的環(huán)形小孔均勻分布,利用MATLAB編程可獲得最終擬合的平衡閥芯位移—節(jié)流口過流面積特性曲線,如圖5所示.

圖4　平衡閥芯節(jié)流小孔展開圖Fig.4　Expansion graph of the counterbalance valve’s throttling orifice

圖5　擬合的過流面積特性曲線Fig.5　Fitted characteristic curve of the open area

3　裝機(jī)試驗(yàn)

為了測(cè)試該閥在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的性能,在一輛SY5271THB型混凝土泵車上進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn),如圖6所示.試驗(yàn)前按照國(guó)家平衡閥標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9739.1—1999對(duì)新型負(fù)載敏感平衡閥作了嚴(yán)格的出廠試驗(yàn),并將達(dá)標(biāo)的作為試驗(yàn)樣件.首先,將系統(tǒng)油溫調(diào)節(jié)至50 ℃,試驗(yàn)步驟如下：

1)分別將新型負(fù)載敏感平衡閥安裝在主機(jī)第2節(jié)臂架油缸的大小腔處,在多路閥的對(duì)應(yīng)聯(lián)接入測(cè)壓接頭,裝上壓力表.控制遙控手柄分別進(jìn)行臂架伸出和臂架收縮操作,觀察臂架運(yùn)動(dòng)的情況及控制壓力的變化,記錄現(xiàn)象及數(shù)據(jù)；將臂架伸出至某一點(diǎn)保持靜止不動(dòng),觀察臂架下降的情況并記錄.

2)分別將原裝Vikers平衡閥安裝在主機(jī)第2節(jié)臂架油缸的大小腔處,重復(fù)第1)步操作并記錄現(xiàn)象及數(shù)據(jù).得到最終的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示.

圖6　裝機(jī)試驗(yàn)Fig.6　Installation test

MPa

本次裝機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果表明,該閥基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求.與進(jìn)口Vikers平衡閥相比,新型負(fù)載敏感平衡閥控制壓力低,達(dá)到了降低系統(tǒng)功耗的目的；整個(gè)上升和下降過程中壓力呈現(xiàn)階段性變化,各階段壓力近似線性輸出，能夠隨著負(fù)載壓力的變化進(jìn)行調(diào)節(jié),流量穩(wěn)定無沖擊；臂架未出現(xiàn)顫振現(xiàn)象,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn);在靜止工況下,臂架能夠保持長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng),穩(wěn)定可靠.

4　結(jié)　論

設(shè)計(jì)了一種新型負(fù)載敏感平衡閥,對(duì)其工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了說明.對(duì)平衡閥負(fù)載敏感特性影響較大的平衡閥芯節(jié)流口進(jìn)行了分段設(shè)計(jì)和計(jì)算,采用節(jié)流小孔組合的節(jié)流方式,借助MATLAB對(duì)過流面積特性曲線進(jìn)行擬合,得到滿足要求的組合方式.為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,在混凝土泵車上進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn),并與原閥作了對(duì)比試驗(yàn).試驗(yàn)證明,該新型負(fù)載敏感平衡閥控制壓力低,有效降低了系統(tǒng)功耗,負(fù)載敏感特性表現(xiàn)良好.同時(shí),該閥穩(wěn)定性得到提高,基本滿足臂架平穩(wěn)運(yùn)行的要求.

[1] NORDHAMMER P A,BAK M K,HANSEN M R.A method for reliable motion control of pressure compensated hydraulic actuation with counterbalance valves[C]//Control,Automation and Systems (ICCAS),2012 12th International Conference on.IEEE,2012:759-763．

[2] 劉會(huì)勇,李偉,彭秀英,等.混凝土泵車臂架液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2010,17(4):253-257,277．

LIU Hui-yong,LI Wei,PENG Xiu-ying,et al.Study on modeling and simulation of the hydraulic system of the concrete pump truck’s arms[J].Chinese Journal of Engineering Design,2010,17(4):253-257,277．

[3] CAZZULANI G,GHIELMETTI C,GIBERTI H,et al.A test rig and numerical model for investigating truck mounted concrete pumps[J].Automation in Construction,2011,20(8):1133-1142．

[4] ANDERSSON B R.Energy efficient load holding valve[C]//The 11th Scandinavian International Conference on Fluid Power. Sweden, June 2-4, 2009．

[5] 陳晉市,劉昕暉,王同建,等.平衡閥對(duì)起重機(jī)起升系統(tǒng)抖動(dòng)現(xiàn)象的影響因素[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,8(1):46-50．

CHEN Jin-shi,LIU Xin-hui,WANG Tong-jian,et al.Effects of balancing valves on shaking from crane lifting systems[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2010,8(1):46-50．

[6] 耿令新,劉釗,吳仁智,等.工程機(jī)械負(fù)載敏感技術(shù)節(jié)能原理及應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng),2008(5):85-87．

GENG Ling-xin,LIU Zhao,WU Ren-zhi,et al.The energy conservation principle and application of load-sensing technology used in construction machinery[J].Journal of Mechanical Transmission,2008(5):85-87.

[7] 朱石沙,羅炎熱,劉金剛.一種帶折疊式臂架的機(jī)械用平衡閥:CN104500475A[P].2015-04-08．

ZHU Shi-sha,LUO Yan-re,LIU Jin-gang.A kind of counterbalance valve which used in the machinery with folding boom:CN104500475A[P].2015-04-08．

[8] 景俊華.負(fù)載敏感系統(tǒng)的原理及其應(yīng)用[J].流體傳動(dòng)與控制,2010(6):21-24．

JING Jun-hua.The principles and applications of load-sensing system[J].Fluid Power Transmission and Control,2010(6):21-24．

[9] SCHMIDT A,STROHBACH M,van LAERHOVEN K,et al.Context acquisition based on load sensing[M].Springer Berlin Heidelberg:Ubiquitous Computing,2002:333-350．

Design of a new kind of load-sensing counterbalance valveand installation test

ZHU Shi-sha1, WU Yan-bo1, KUANG Ping1, LUO Yan-re2

(1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2. Hunan Hydfly Science & Technology Co.,Ltd., Changsha 410000, China)

A new kind of load-sensing counterbalance valve which used in the machinery with folding boom was introduced， of which the structure and working principle had been expatiated. A combination of the orifice was used in the counterbalance valve’s spool， and the fitted characteristic curve of the open area was produced by the software of MATLAB. When the load pressure was changed， in order to achieve steady quantity of flow， the valve could control the displacement of the counterbalance valve’s spool to adjust the flow area. The proposed design not only made the valve possess multi-level adjustment ability but also raised the sensitive nature of the load. To test the performance of the valve under actual application environment， the installation test was done on the concrete pump truck. The results showed that the control pressure was low， the consumption of the system’s power was reduced， the sensitive nature of the load had a good performance， the boom ran smoothly， and the stability was improved．

load-sensing; counterbalance valve; structure design; installation test

2015-12-30.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075345,11172100).

朱石沙(1954—),男,遼寧遼陽人,教授,博士,從事流體傳動(dòng)與控制、智能材料等研究,E-mail:zssxtdx@xtu.edu.cn.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.016

TH 137

A

1006-754X(2016)04-0396-05