石 勇1，潘 煒，張躍軍

(1.海軍裝備部北京局駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100176； 2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120)

引言

液壓系統(tǒng)由于具有功率密度大、布置靈活、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)也存在效率低的不足，以閥控液壓挖掘機(jī)為例，據(jù)研究報(bào)告，液壓挖掘機(jī)的能量利用率大約只有20%，其中液壓系統(tǒng)的效率大約為30%[1]。因此液壓系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究具有非常重要的意義。

液壓系統(tǒng)的能量損耗主要包括溢流損耗和節(jié)流損耗。目前針對(duì)節(jié)流損耗的研究較多，主要有正流量系統(tǒng)、負(fù)流量系統(tǒng)[2]、負(fù)載敏感系統(tǒng)[3]、負(fù)載口獨(dú)立控制[4]和泵控系統(tǒng)[5]等。這些研究的主要目的都是為了使液壓泵的輸出流量與負(fù)載流量相匹配，從而達(dá)到降低節(jié)流損耗的目的。

受傳統(tǒng)技術(shù)及用途的限制，溢流閥的出口一般接油箱，由于油箱壓力近似為0，因此，溢流閥的進(jìn)、出口壓差損耗即為溢流閥進(jìn)口壓力，而進(jìn)油口壓力為用戶(hù)的目標(biāo)調(diào)整壓力，由用戶(hù)設(shè)定，不能改變；溢流壓力等級(jí)越大，閥口壓差損耗越大；隨著液壓系統(tǒng)壓力等級(jí)越來(lái)越高，溢流損耗問(wèn)題將更加突出。

本研究以比例溢流閥為例，提出一種在比例溢流閥的出口連接液壓蓄能器來(lái)提高溢流閥出口壓力的結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)降低溢流損耗的目的?？紤]到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響溢流閥工作性能的重要的影響因素，建立其CFD流場(chǎng)模型，分析能量回收單元對(duì)液動(dòng)力的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究分析能量回收單元對(duì)溢流閥的工作性能的影響。

1 具有能量回收單元的溢流閥結(jié)構(gòu)方案

圖1所示為傳統(tǒng)比例溢流閥和所提出的具有能量回收單元的比例溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖[6]。從圖1看出，傳統(tǒng)先導(dǎo)式比例溢流閥的回油口接油箱，而所提出的具有能量回收單元的先導(dǎo)式比例溢流閥的出口接液

圖1 溢流閥溢流損耗回收結(jié)構(gòu)示意圖

壓蓄能器或液壓馬達(dá)-發(fā)電機(jī)等能量回收單元。

溢流閥閥口壓差損耗為：

Δp=p1-p2

(1)

當(dāng)為傳統(tǒng)型溢流閥時(shí)，由于回油口接油箱，即p2=0，故進(jìn)出口壓力損耗為Δp1=p1。

當(dāng)為所提出的具有能量回收單元的溢流閥時(shí)，其出口接能量回收單元，其壓力高于油箱壓力，故其進(jìn)出口壓差為Δp2=p1-p2<Δp1。

為了保證溢流閥正常工作，先導(dǎo)調(diào)壓側(cè)必須單獨(dú)接回油箱，出口壓力必須小于主閥芯開(kāi)啟壓力。

2 主閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分析

溢流閥在工作時(shí)，隨著工作壓力的變動(dòng)，其處于動(dòng)態(tài)的調(diào)整狀態(tài)。在溢流閥工作時(shí)，其閥芯上會(huì)受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響，液動(dòng)力Fs是影響溢流閥工作性能的重要參數(shù)，其理論公式為：

Fs=p1A1-pxA1-k(x0+x)

(2)

為對(duì)閥芯液動(dòng)力進(jìn)行分析，建立了主閥芯的流場(chǎng)仿真模型，圖2所示為溢流閥的主閥芯流場(chǎng)網(wǎng)格圖，表1為基本仿真參數(shù)。

圖2 溢流閥主閥芯流場(chǎng)網(wǎng)格圖

表1 主閥芯的關(guān)鍵參數(shù)

圖3是在進(jìn)口壓力為21.5 MPa時(shí)，溢流閥的主閥芯出口接油箱和接15 MPa能量回收單元壓力時(shí)的流場(chǎng)壓力和速度分布圖。從圖中看出，當(dāng)溢流閥出口接油箱時(shí)，閥內(nèi)流場(chǎng)內(nèi)的壓力最低為0，速度可以高達(dá)241 m/s；而當(dāng)出口接壓力為15 MPa的能量回收單元時(shí)，閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力最低為14 MPa，最大速度為120 m/s，相比出口接油箱的情況降低很多。較低的流速有利于避免閥內(nèi)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。

圖3 主閥芯壓力和速度流場(chǎng)分布圖

圖4是當(dāng)溢流閥的回油口從0逐漸升高的過(guò)程中，所獲得的閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及閥芯位移曲線(xiàn)。從圖看出，隨著出口壓力的提高，閥芯所受液動(dòng)力逐漸下降，流量越大，下降幅度越快；而閥芯位移隨著出口壓力的提高逐漸增大，流量越大，閥口的位移量也就越大。根據(jù)薄壁小孔流量公式，通過(guò)的流量與截面積成正比，因此在相同的進(jìn)出口壓差情況下，輸出流量越多，閥口開(kāi)度越大，閥芯位移也就越大。圖4說(shuō)明，當(dāng)提高溢流閥出口壓力時(shí)，能降低閥芯所受到的液動(dòng)力，可大大降低溢流閥的調(diào)壓偏差。

圖4 溢流閥出口壓力與穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及閥芯位移的關(guān)系

3 溢流閥穩(wěn)壓性能測(cè)試研究

為研究采用能量回收單元對(duì)溢流閥工作性能的影響，搭建了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5和圖6所示。測(cè)試系統(tǒng)包括兩部分：

(1) 泵站：定量泵3的最大輸出流量為250 L/min，最大工作壓力31.5 MPa。安全閥4用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)，2/2 換向閥5通電時(shí)使液壓泵卸荷；

(2) 測(cè)試單元：通過(guò)被測(cè)試溢流閥9的流量由流量計(jì)10測(cè)試，背壓加載閥12用來(lái)代替能量回收單元。測(cè)試過(guò)程中，背壓從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始即作用到被測(cè)試溢流閥上。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)閥的先導(dǎo)閥在5～15 s范圍內(nèi)通電，即是說(shuō)被測(cè)試閥在5～15 s范圍內(nèi)用來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的工作壓力。

1.過(guò)濾器 2.變頻電機(jī) 3.定排量泵 4.安全閥 5.2/2換向閥6.單向閥 7.壓縮量傳感器 8、11、14.壓力表9.被測(cè)試先導(dǎo)比例溢流閥 10、13.流量計(jì) 12.回油背壓加載閥

圖6 測(cè)試平臺(tái)照片

對(duì)先導(dǎo)式溢流閥而言，其彈簧剛度k很小，近似可以忽略，因此根據(jù)式(2)，僅需測(cè)量出主閥芯上下面的壓力，即可近似求出閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。

3.1 背壓對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的影響

圖7是當(dāng)通過(guò)溢流閥的流量為50 L/min時(shí)，背壓對(duì)閥芯穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力及主閥彈簧力的影響。從圖看出，當(dāng)背壓小于10 MPa時(shí)，隨著背壓增大，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有波動(dòng)，但當(dāng)背壓大于10 MPa后，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力快速降低，與仿真曲線(xiàn)的趨勢(shì)相同。仿真與試驗(yàn)測(cè)試的最大誤差為19 N，相對(duì)誤差小于15%。根據(jù)仿真結(jié)果，背壓越大，閥芯位移越大，因此彈簧力也就越大，但從圖看出，彈簧力的變化量較小，近似可以認(rèn)為不變。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是閥芯的附加作用力，對(duì)液壓閥的工作性能有重要影響，因此，降低穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也是液壓閥設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。根據(jù)圖 7的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)提高背壓降低穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力或許會(huì)成為液壓閥設(shè)計(jì)提供新的思路。

圖7 背壓對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和彈簧力的影響(Q=50 L//min)

3.2 背壓對(duì)入口壓力的影響

圖8是在不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速，背壓分別為0和15 MPa時(shí)，溢流閥入口壓力的對(duì)比曲線(xiàn)。從圖看出，在0～5 s時(shí)，先導(dǎo)閥處于斷電狀態(tài)，此時(shí)被測(cè)試溢流閥的入口壓力與背壓相同。在5～15 s時(shí)，先導(dǎo)閥通電，設(shè)定壓力

圖8 不同背壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下的入口壓力比較

為21.5 MPa，此時(shí)溢流閥的入口壓力基本在設(shè)定壓力21.5 MPa左右。電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，通過(guò)溢流閥的流量越多，相應(yīng)的溢流閥的壓力也就越高，但是差別較小，尤其是在背壓15 MPa時(shí)，不同轉(zhuǎn)速情況下所對(duì)應(yīng)的入口壓力的差別較無(wú)背壓時(shí)要小，說(shuō)明背壓不僅不會(huì)影響溢流閥的穩(wěn)壓性能，反而能提高其在流量變動(dòng)情況下的穩(wěn)定性。

圖9為不同背壓情況下的被測(cè)試溢流閥的流量-壓力曲線(xiàn)對(duì)比，從圖看出，隨著通過(guò)被測(cè)試閥的流量增大，溢流閥的入口壓力均升高，但是背壓越大，入口壓力升高的幅度越小。當(dāng)背壓為15 MPa時(shí)，調(diào)壓偏差為7%，而當(dāng)背壓為18MPa時(shí)，調(diào)壓偏差為2.5%，而一般的溢流閥的調(diào)壓偏差在15%左右。因此提高背壓能夠減小調(diào)壓偏差，在大流量使用場(chǎng)合下能夠獲得更好的壓力控制性能。

圖9 流量-壓力曲線(xiàn)對(duì)比

3.3 背壓對(duì)溢流流量的影響

圖10是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，在不同背壓情況下的流量曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)看，不論背壓多大，通過(guò)閥的流量基本相同，變化規(guī)律也相同。在5 s時(shí)，先導(dǎo)閥通電，溢流閥開(kāi)始工作，此時(shí)由于先導(dǎo)閥開(kāi)啟而引起瞬時(shí)的流量波動(dòng)，由于先導(dǎo)閥流過(guò)一定的流量，因此在在5～15 s范圍內(nèi)，通過(guò)的流量略有減小，當(dāng)15 s先導(dǎo)閥斷電時(shí)，流量亦產(chǎn)生波動(dòng)，后穩(wěn)定在正常的范圍內(nèi)。因此，背壓對(duì)溢流閥的溢流量基本沒(méi)有影響。

圖10 背壓對(duì)流量的影響(電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min)

4 結(jié)論

溢流閥作為三大類(lèi)閥之一，其主要起溢流調(diào)壓和安全閥作用。溢流閥口壓差損耗較大，由于溢流閥的溢流流量具有一定的隨機(jī)性；因此，通過(guò)降低流量的途徑來(lái)降低溢流損耗的節(jié)能效果有限，尤其在高壓化的液壓系統(tǒng)。從降低閥口損耗壓差方法解決導(dǎo)致液壓系統(tǒng)效率低下溢流損耗為目標(biāo)，提出了采用能量回收單元主動(dòng)控制溢流閥口的閥口壓差僅為保證工作性能的最小壓差，并把多余的壓差損耗能量回收和再利用。因此，溢流閥出口和能量回收單元相連后，通過(guò)能量回收單元回收溢流閥的溢流損耗后，不僅可以降低溢流閥閥口的壓差能量損耗，同時(shí)由于閥口前后壓差的減小，能有效降低作用于閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，進(jìn)而降低溢流閥的調(diào)壓偏差，同時(shí)溢流流量也基本不受影響。