李明生　葉　進(jìn)　謝　斌　楊　仕　曾百功　柳　劍

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院， 重慶 400700； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0　引言

液壓驅(qū)動(dòng)底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠，能夠?yàn)闄C(jī)構(gòu)節(jié)省大量?jī)?nèi)部空間，方便各種工作部件的布置，因此在履帶式拖拉機(jī)和高地隙拖拉機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。

流量調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)有變量泵+液壓馬達(dá)和定量泵+液壓閥+液壓馬達(dá)兩種。其中變量泵+液壓馬達(dá)形式的液壓系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到了廣泛的應(yīng)用，但是在系統(tǒng)的響應(yīng)速度和流量的控制精度方面尚待提升。采用定量泵+液壓閥+液壓馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)底盤系統(tǒng)采用比例換向閥和比例流量閥進(jìn)行流量連續(xù)控制，比例換向閥上增設(shè)壓差補(bǔ)償器構(gòu)成比例流量閥[3-4]。常用的比例流量閥根據(jù)換向方式不同分為手動(dòng)式、機(jī)動(dòng)式、液壓先導(dǎo)式、電磁式、電液式等[5-7]。隨著機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提升，液壓先導(dǎo)式和電液式比例流量閥得到了廣泛的應(yīng)用，這兩種閥均屬于液控比例閥，通過作用在閥芯兩端的液壓力與復(fù)位彈簧的相互作用來實(shí)現(xiàn)換向。在比例流量閥控制精度提升方面，不少學(xué)者開展了大量的研究，取得了一定的成果，但是基本都處于設(shè)計(jì)和仿真階段，實(shí)際應(yīng)用的很少[8-11]。本文通過對(duì)比例換向閥和壓力補(bǔ)償閥精確計(jì)算，設(shè)計(jì)一種三位四通式比例流量閥，并進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，以期實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。

1　工作原理

本文所設(shè)計(jì)的液控比例流量閥工作原理如圖1所示。該閥由壓力補(bǔ)償閥、比例換向閥、梭閥以及其他組件構(gòu)成。壓力補(bǔ)償閥本質(zhì)上是一種定差減壓閥，通過壓力補(bǔ)償閥彈簧使比例換向閥進(jìn)出油口的壓差Δp保持恒定，從而消除壓力波動(dòng)對(duì)流量的影響，提高流量控制精度。油液經(jīng)進(jìn)油口P進(jìn)入壓力補(bǔ)償閥，經(jīng)由壓力補(bǔ)償閥節(jié)流口后油液壓力降低為p1，進(jìn)入比例換向閥，部分油液經(jīng)由反饋油路進(jìn)入壓力補(bǔ)償閥的左腔；比例換向閥出油口PA、PB的油液進(jìn)入梭閥，梭閥是一個(gè)最高壓力選擇閥，輸出的壓力p2是PA、PB出油口的最高值，經(jīng)過反饋油路進(jìn)入壓力補(bǔ)償閥1的右腔。系統(tǒng)的油液壓力p恒定，當(dāng)p2恒定，p1升高時(shí)，施加在壓力補(bǔ)償閥閥芯的油液作用力增大，使閥芯克服彈簧力向右移動(dòng)，閥口趨于關(guān)閉，節(jié)流損失增加，使p1減小，壓差恒定；當(dāng)p1恒定，p2升高時(shí)，施加在壓力補(bǔ)償閥閥芯的油液作用力減小，在彈簧力的作用下，閥芯向左運(yùn)動(dòng)，閥口增大，節(jié)流損失降低，使p1同步增加，保持壓差恒定。

比例換向閥是三位四通液控?fù)Q向閥，由比例換向閥閥芯、復(fù)位彈簧、閥體等構(gòu)成，中位機(jī)能為M型。P1為進(jìn)油口，連接壓力補(bǔ)償閥的出油口；T為回油口，接回油箱；PA、PB為工作油口，分別接通液壓泵的進(jìn)出油口。比例換向閥閥芯左側(cè)控制油腔通壓力油，右側(cè)控制油腔通回油箱，閥芯在油液作用力作用下克服彈簧力向右移動(dòng)，P1-PA、PB-T油口接通，液壓泵正轉(zhuǎn)，拖拉機(jī)前進(jìn)；比例換向閥閥芯右側(cè)控制油腔通壓力油，左側(cè)控制油腔通回油箱，閥芯在油液作用力作用下克服彈簧力向左移動(dòng)，P1-PB、PA-T油口接通，液壓泵反轉(zhuǎn)，拖拉機(jī)后退。控制比例換向閥開口便可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，從而控制拖拉機(jī)的行駛速度。

圖1　液控比例流量閥工作原理Fig.1　Principle of flow valve1.壓力補(bǔ)償閥　2.比例換向閥　3.梭閥

2　設(shè)計(jì)與計(jì)算

根據(jù)液控比例流量閥工作原理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本閥由比例換向閥、壓力補(bǔ)償閥、溢流補(bǔ)油閥、高壓反饋閥以及閥體等組成。其中比例換向閥和壓力補(bǔ)償閥為直動(dòng)式滑閥結(jié)構(gòu)，溢流補(bǔ)油閥和高壓反饋閥為螺紋插裝式結(jié)構(gòu)，閥體為整體鑄造式。設(shè)計(jì)最高流量Qg為5.83×10-3m3/s。

圖2　液控比例流量閥結(jié)構(gòu)Fig.2　Hydraulic proportional flow valve structure1、2.溢流補(bǔ)油閥　3.比例換向閥　4.壓力補(bǔ)償閥　5.高壓反饋閥

2.1　壓力補(bǔ)償閥

壓力補(bǔ)償閥閥芯大徑DR和小徑dR的計(jì)算公式為

(1)

根據(jù)多路閥的制造工藝性和使用的方便性，減壓閥閥芯的徑確定為DR=2.5×10-2m，dR=1.4×10-2m。

最大通流面積ARmax的計(jì)算公式為

(2)

最終確定換向閥最大開口量δRmax為

(3)

壓力補(bǔ)償閥的補(bǔ)償壓差Δp對(duì)比例換向閥的性能起著至關(guān)重要的作用。壓差大能減小比例換向閥的體積，但是會(huì)造成較大的節(jié)流損失；壓差小則節(jié)流損失較小，但會(huì)使閥的調(diào)速剛性變差、體積增大[12-14]。取壓力補(bǔ)償閥補(bǔ)償壓差Δp為0.7 MPa。由此計(jì)算壓力補(bǔ)償閥彈簧預(yù)緊力

(4)

設(shè)計(jì)彈簧預(yù)壓縮量為0.008 m，則彈簧剛度約為43 kN/m。

根據(jù)JB/T 3338.2—93《液壓件圓柱螺旋壓縮彈簧 設(shè)計(jì)計(jì)算》，計(jì)算并確定壓力補(bǔ)償閥彈簧參數(shù)如表1所示。

表1　壓力補(bǔ)償閥彈簧參數(shù)Tab.1　Pressure compensation valve spring parameters

2.2　比例換向閥

2.2.1比例換向閥計(jì)算

根據(jù)式(1)計(jì)算得到比例換向閥的大徑D為2.5×10-2m，小徑d為1.4×10-2m。

為使閥口在最大開口δmax下，油液經(jīng)過閥口不產(chǎn)生擴(kuò)散損失，應(yīng)使最大通流面積Amax不大于閥芯與閥體間環(huán)形截面積，即

(5)

在閥芯開口處設(shè)計(jì)過渡節(jié)流槽以提高流量穩(wěn)定性，最終確定換向閥最大開口量δmax為3×10-3m，過渡節(jié)流槽長度l為8×10-3m。

本閥中位機(jī)能為H型，因此閥芯節(jié)流槽為負(fù)遮蓋，即閥芯位移為0時(shí)，閥口已經(jīng)打開，負(fù)遮蓋量為0.000 5 m，由此確定閥芯行程S為

S=δmax+l-0.5=1.05×10-2m

(6)

在機(jī)械設(shè)備中，液壓控制壓力范圍為0.6～1.9 MPa，即比例換向閥閥芯受到的最低油液壓力px1=0.6 MPa，最高油液壓力px2=1.9 MPa，由此可得，比例換向閥的閥芯力平衡方程為

(7)

計(jì)算得到比例換向閥彈簧預(yù)壓縮量x0為6.3×10-3m，彈簧剛度K為46.7 kN/m。

根據(jù)JB/T 3338.2—93《液壓件圓柱螺旋壓縮彈簧 設(shè)計(jì)計(jì)算》，計(jì)算并確定比例換向閥彈簧參數(shù)如表2所示。

表2　比例換向閥彈簧參數(shù)Tab.2　Proportional directional valve spring parameters

2.2.2比例換向閥節(jié)流槽設(shè)計(jì)

為滿足拖拉機(jī)低速行駛的要求，即小流量下的系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)過渡節(jié)流槽。比例換向閥常用的節(jié)流口型式有銑割槽式、錐式、三角槽式、半圓式(D型槽)和半圓矩形式(U型槽)，根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]分析的各節(jié)流槽的特性，設(shè)計(jì)比例換向閥節(jié)流槽如圖3所示。

圖3　比例換向閥節(jié)流槽Fig.3　Proportional directional valve throttle

在比例換向閥閥芯圓周面上共設(shè)計(jì)2種節(jié)流槽，每種2組。各組節(jié)流槽交叉均布以降低閥芯不平衡力造成閥芯卡滯。2種節(jié)流槽設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表3　比例換向閥閥芯節(jié)流槽設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3　Valve spool throttle parameters

根據(jù)閥口遷移理論[17-20]，在Matlab中建立比例換向閥節(jié)流口通流面積隨閥芯位移變化數(shù)學(xué)模型如圖4所示。通過計(jì)算仿真得到閥芯位移-通流面積曲線如圖5所示。由圖5可知，閥芯總行程為1.05×10-2m，其中：0～5×10-4m為封油區(qū)，通流面積為零； 5×10-4～5.7×10-3m為調(diào)速區(qū)，通流面積區(qū)間為0～6×10-5m2；5.7×10-3～1.05×10-2m為快速增益區(qū)，通流面積區(qū)間為6×10-5～2.13×10-4m2。

圖4　比例換向閥節(jié)流口模型Fig.4　Proportional directional valve orifice model

圖5　比例換向閥通流面積隨閥芯位移變化曲線Fig.5　Changing curves of flow area with spool

3　AMESim模型建立與仿真

3.1　AMESim模型

圖6　拖拉機(jī)液壓底盤行走系統(tǒng)Fig.6　Tractor hydraulic chassis walking system

在AMESim中建立拖拉機(jī)液壓底盤行走系統(tǒng)模型如圖6所示。該模型由液壓泵、主溢流閥、壓力補(bǔ)償閥、比例換向閥、二次溢流閥以及液壓馬達(dá)等構(gòu)成。其中液壓泵為定量泵，通過調(diào)節(jié)比例換向閥控制油液壓力來控制閥芯的位移，從而實(shí)現(xiàn)流量的精細(xì)控制。

設(shè)定負(fù)載為空載，在忽略滑閥閥芯摩擦力前提下，設(shè)置主要模型參數(shù)如表4所示。

表4　仿真模型主要參數(shù)Tab.4　Main parameters of simulation model

3.2　仿真驗(yàn)證與分析

設(shè)定液壓比例流量閥控制壓力在0～2.5 MPa之間變化，得到壓力補(bǔ)償閥補(bǔ)償壓力隨控制壓力變化曲線和液壓比例閥流量隨控制壓力變化曲線分別如圖7、8所示。由圖7可知，在0～0.6 MPa的控制壓力區(qū)間內(nèi)，由于比例換向閥閥口尚未打開，因此壓力補(bǔ)償閥沒有補(bǔ)償作用，壓力變化幅度較大；在0.6～1.9 MPa的控制壓力區(qū)間，比例換向閥閥口逐漸增大，壓力補(bǔ)償閥開始作用，控制補(bǔ)償壓力在0.3～0.7 MPa的范圍內(nèi)，以使比例換向閥流量穩(wěn)定；在大于1.9 MPa的控制壓力區(qū)間內(nèi)，由于比例換向閥閥口和壓力補(bǔ)償閥閥口全部打開，因此補(bǔ)償壓力降低為0.1 MPa，有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)的壓力損失。由圖8可知，在0.6～1.9 MPa的控制壓力區(qū)間內(nèi)，本閥控制流量為0～5.67×10-3m3/s，流量隨控制壓力變化，且變化平穩(wěn)，定義該控制壓力區(qū)間為流量調(diào)速控制壓力區(qū)，占總控制壓力區(qū)間的68.4%。

圖7　補(bǔ)償壓力隨控制壓力的變化曲線Fig.7　Changing curve of compensation pressure with control pressure

圖8　比例換向閥流量隨控制壓力的變化曲線Fig.8　Changing curve of flow rate with control pressure

4　性能試驗(yàn)與分析

在高地隙拖拉機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行液控比例流量閥性能試驗(yàn)。測(cè)試在不同拖拉機(jī)行駛工況下的液控比例流量閥性能，如圖9所示。

圖9　液控比例流量閥性能試驗(yàn)Fig.9　Hydraulic proportional flow valve performance test

4.1　液控比例流量閥流量控制特性試驗(yàn)

定量泵排量為1.50×10-4m3/r，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下轉(zhuǎn)速為800 r/min，系統(tǒng)流量為2×10-3m3/s；發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況下轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，系統(tǒng)流量為4.75×10-3m3/s。通過改變液控比例流量閥的控制壓力來測(cè)試拖拉機(jī)空載和重載下發(fā)動(dòng)機(jī)分別處于怠速工況以及高速工況時(shí)液控比例流量閥的性能。

由圖10可得知，拖拉機(jī)空載、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況時(shí)，閥的開啟壓力為0.8 MPa，即流量死區(qū)壓力控制區(qū)間為0～0.8 MPa；調(diào)速區(qū)壓力控制區(qū)間為0.8～1.7 MPa，流量變化區(qū)間為0～2×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩(wěn)；1.7～2.0 MPa為流量飽和區(qū)，此時(shí)流量穩(wěn)定在2×10-3m3/s。流量調(diào)速控制壓力區(qū)占總控制壓力區(qū)間的45%。閥的閉合壓力為0.24 MPa，小于開啟壓力，這是由于閥在開啟的過程中除了需要克服彈簧阻力以外，還需要克服靜摩擦力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力等阻力，導(dǎo)致閥的開啟壓力大于設(shè)計(jì)開啟壓力；在閥的關(guān)閉過程中，所需要克服的只有彈簧阻力和較小的動(dòng)摩擦力，而且此時(shí)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力作用方向與閥芯運(yùn)動(dòng)方向一致，因此閥的閉合壓力小于開啟壓力。

圖10　拖拉機(jī)空載、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況流量控制特性Fig.10　Flow characteristics of tractor no-load at idle engine speed

由圖11可知，拖拉機(jī)空載、發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況時(shí)，閥的開啟壓力為0.76 MPa，即流量死區(qū)壓力控制區(qū)間為0～0.76 MPa；調(diào)速區(qū)壓力控制區(qū)間為0.76～2.0 MPa，流量變化范圍為0～4.75×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩(wěn)，無流量飽和區(qū)。流量調(diào)速控制壓力區(qū)占總控制壓力區(qū)間的62%。閥的閉合壓力為0.24 MPa，小于開啟壓力，其原因與圖7一致。

圖11　拖拉機(jī)空載、發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況流量控制特性Fig.11　Flow characteristics of tractor no-load at high engine speed

由圖12可知，拖拉機(jī)重載、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況時(shí)，閥的開啟壓力為0.84 MPa，即流量死區(qū)壓力控制區(qū)間為0～0.84 MPa；調(diào)速區(qū)壓力控制區(qū)間為0.84～1.83 MPa，流量變化范圍為0～2×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩(wěn)；1.83～2.0 MPa為流量飽和區(qū)，此時(shí)流量穩(wěn)定在2×10-3m3/s。流量調(diào)速控制壓力區(qū)占總控制壓力區(qū)間的49.5%。閥的閉合壓力為0.3 MPa。

由圖13可知，拖拉機(jī)重載、發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況時(shí)，閥的開啟壓力為1.03 MPa，即流量死區(qū)壓力控制區(qū)間為0～1.03 MPa；調(diào)速區(qū)壓力控制范圍為1.03～2.0 MPa，流量變化范圍為0～4.75×10-3m3/s，在微開口時(shí)由于壓力變化較大，壓力補(bǔ)償閥無法及時(shí)調(diào)整，造成流量不平穩(wěn)，在1.2 MPa以后流量隨控制壓力變化平穩(wěn)；無流量飽和區(qū)。流量調(diào)速控制壓力區(qū)占總控制壓力區(qū)間的48.5%。閥的閉合壓力為0.2 MPa。

圖12　拖拉機(jī)重載、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況流量控制特性Fig.12　Flow characteristics of tractor heavy-duty at idle engine speed

圖13　拖拉機(jī)重載、發(fā)動(dòng)機(jī)高速工況流量控制特性Fig.13　Flow characteristics of tractor heavy-duty at high engine speed

4.2　液控比例流量閥小流量穩(wěn)定性試驗(yàn)

設(shè)定液控比例流量閥控制壓力為0.78、0.84 MPa，得到不同控制壓力下液控比例流量閥的小流量特性曲線如圖14、15所示。

由圖14可知，當(dāng)控制壓力為0.78 MPa時(shí)，液控比例流量閥流量穩(wěn)定在8.33×10-5m3/s，且流量穩(wěn)定；由圖15可知，當(dāng)控制壓力為0.84 MPa時(shí)，液控比例閥流量穩(wěn)定在2.5×10-4m3/s，且流量穩(wěn)定。

圖14　控制壓力為0.78 MPa時(shí)閥小流量特性Fig.14　Flow characteristics at 0.78 MPa pressure

圖15　控制壓力為0.84 MPa時(shí)閥小流量特性Fig.15　Flow characteristics at 0.84 MPa pressure

5　結(jié)束語

采用傳統(tǒng)計(jì)算與仿真驗(yàn)證的方法設(shè)計(jì)了一種液控比例流量閥，并將閥口遷移理論應(yīng)用在閥芯節(jié)流槽設(shè)計(jì)。仿真與試驗(yàn)表明，在不同拖拉機(jī)工況下，本閥具有良好的流量控制特性，流量調(diào)速控制壓力區(qū)占總控制壓力區(qū)間不小于45%，流量隨控制壓力變化平穩(wěn)；本閥同時(shí)具有良好的小流量特性，在微開口時(shí)，流量控制平穩(wěn)，能夠保證拖拉機(jī)的低速行駛穩(wěn)定性。

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