孫鴻鈞

(蚌埠液力機(jī)械有限公司 安徽蚌埠 233000)

1 前言

液壓切斷閥是液壓系統(tǒng)中重要的安全保護(hù)元件，一般用于超流量自動(dòng)切換保護(hù)及限制，如管道爆破保護(hù)或執(zhí)行元件限速等，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、切換迅速、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在液壓電梯、叉車、起重機(jī)、挖掘機(jī)、裝載機(jī)等液壓機(jī)械上[1-2]。

現(xiàn)今世界各國(guó)對(duì)設(shè)備安全問題越來越重視，行業(yè)內(nèi)對(duì)叉車安全性的要求也越來越嚴(yán)格。液壓切斷閥是叉車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件之一，安裝于叉車升降缸的下油腔油口處，若進(jìn)口油管爆裂，液壓切斷閥閥口迅速減小，保證升降缸的活塞緩慢下降，防止重物快速下墜。為了防止發(fā)生下墜等事故，因而要求液壓切斷閥在額定流量下，正反向壓降小，失壓時(shí)迅速關(guān)閉，反向關(guān)閉后內(nèi)主閥口泄漏小[3，4，5]。對(duì)于液壓切斷閥性能的好壞在一定程度上決定著整個(gè)液壓系統(tǒng)性能的好壞，影響著叉車的安全性能，故對(duì)叉車使用的液壓切斷閥進(jìn)行性能測(cè)試，確定其參數(shù)指標(biāo)是非常必要的。

2 工作原理分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

叉車切斷閥(如圖1所示)由閥套1、彈簧2、限位銷3、閥芯4組成。閥芯4的圓柱兩側(cè)面對(duì)稱開有主油孔，閥芯4的右端面開有輔助油孔，當(dāng)液壓油從主油孔和輔助油孔流過時(shí)，由于節(jié)流作用產(chǎn)生壓降，形成閥芯內(nèi)外壓力不等，油壓作用力與彈簧2的彈簧力共同作用，使閥芯4在閥套1中左右滑動(dòng)，閥芯主油孔被閥套1的部分遮擋，遮擋面積隨閥芯移動(dòng)的位移變化。為防止閥芯4的位移量過大，通過限位銷3進(jìn)行限位。

圖1 切斷閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-閥套；2-彈簧；3-限位銷；4-閥芯

圖2 切斷閥工作原理圖

液壓切斷閥工作原理的簡(jiǎn)化如圖2所示，包括可變節(jié)流口R1和固定節(jié)流口R2、彈簧、力比較器。閥芯主油孔與閥套邊緣形成可變節(jié)流口R1，過流面積為主油孔未遮擋的區(qū)域面積；固定節(jié)流口R2為閥芯端面輔助油孔，彈簧輸出指令力，閥芯為力比較器，閥芯內(nèi)外的油液壓差作用在閥芯端面，與彈簧力形成的合力驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。油液流過節(jié)流口時(shí)形成壓降。

當(dāng)油液從A流向B時(shí)，在節(jié)流口R1和R2形成壓降，導(dǎo)致PA>PB，油壓作用力與彈簧力的合力方向指向主油孔完全打開的方向，油液順利通過切斷閥，當(dāng)油液從B流向A時(shí)，PB>PA，油壓作用力與彈簧力的合力方向指向主閥口關(guān)閉方向，流量減小。由于切斷閥彈簧剛度系數(shù)小，所以油壓作用力超過彈簧預(yù)緊力時(shí)，閥口迅速關(guān)閉。

2.2 仿真分析

1)液壓切斷閥仿真分析型建模

AMESim平臺(tái)是一款系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，采用圖形化的數(shù)學(xué)模型根據(jù)液壓切斷閥功能快速完成液壓元件與系統(tǒng)建模，根據(jù)實(shí)際元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行相關(guān)分析[6-11]。

液壓切斷閥的AMESim模型如圖3所示，采用固定節(jié)流孔模塊1模擬閥的固定節(jié)流口R2，采用彈簧柱塞模塊2模擬切斷閥的彈簧，采用質(zhì)量模塊3模擬閥芯質(zhì)量，采用滑閥4模擬可變節(jié)流口，模塊2、3、4共同組成力比較器。

圖3 液壓切斷閥AMESim模型1-閥的固定節(jié)流口；2-彈簧；3-閥芯；4-可變節(jié)流口

液壓切斷閥AMESim模型的主要設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 液壓切斷閥AMESim模型主要參數(shù)

2)液壓切斷閥功能仿真分析

為驗(yàn)證液壓切斷閥的功能，將液壓切斷閥模型放入圖4所示的液壓系統(tǒng)中，液壓切斷閥A口接換向閥3的A口，B口接液壓缸5的無桿腔油口，液壓缸5的有桿腔油口接油箱，液壓缸活塞桿端部添加質(zhì)量載荷6，換向閥3的P口接油源，溢流閥2限定系統(tǒng)壓力，為模擬切斷閥進(jìn)口管道破裂工況，增加旁路電磁閥4，旁路電磁閥4的另一油口接油箱。

圖4 液壓切斷閥系統(tǒng)模型1- ；2-逆流閥；3-換向閥；4-電磁閥；5-液壓缸；6-質(zhì)量載荷

數(shù)值仿真時(shí)，液壓缸活塞桿初始位置為缸底，隨著換向閥油口打開，液壓缸活塞桿驅(qū)動(dòng)負(fù)載上升，模擬叉車舉升負(fù)載工況(圖5區(qū)域I)。當(dāng)負(fù)載舉升到一定位置，電磁閥3閥口關(guān)閉，負(fù)載停止運(yùn)動(dòng)(圖5區(qū)域II)并穩(wěn)定在一定高度，然后，旁路電磁閥4快速打開，模擬管道破裂工況，由負(fù)載位移曲線可知，隨著旁路導(dǎo)通，質(zhì)量塊下降，但由于切斷閥的保護(hù)作用，切斷閥主閥口關(guān)閉，液壓缸無桿腔的油液經(jīng)固定節(jié)流口回油箱(圖5區(qū)域III)，下降速度可控，最后，質(zhì)量塊停止到最下端(圖5區(qū)域IV)。圖6為液壓切斷閥A口的流量曲線，由圖可知，區(qū)域I的流量約30L/min，與油源流量相等，在區(qū)域II，由于電磁閥3閥口關(guān)閉，無油液供給，通過切斷閥流量為0，在區(qū)域III，由于電磁閥4打開，切斷閥進(jìn)口失壓，主閥口關(guān)閉，油液從輔助油口流出，流量控制在10L/min，同時(shí)，流向反向。

圖5 活塞位移曲線

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和仿真分析，切斷閥為流量反饋，正向流通時(shí)，要求切斷閥壓降低，減少功率損失，通過穩(wěn)態(tài)壓差-流量曲線(見圖7)評(píng)價(jià)，反向流通時(shí)，主閥口關(guān)閉時(shí)的流量閾值和響應(yīng)速度是關(guān)鍵指標(biāo)，通過切斷流量曲線(見圖8)評(píng)價(jià)。

圖6 切斷閥進(jìn)口流量曲線

圖7 正向穩(wěn)態(tài)壓差-流量曲線

圖8 反向切斷流量曲線

3 性能測(cè)試方法研究

根據(jù)叉車液壓切斷閥的功能要求，參考電梯、船用液壓管道切斷閥性能測(cè)試及液壓閥壓力-流量特性測(cè)試方法[5,12,13-17]，制定測(cè)試項(xiàng)目包括切斷流量測(cè)試、穩(wěn)態(tài)壓差-流量測(cè)試及耐久性測(cè)試。

3.1 性能指標(biāo)及測(cè)試原理分析

切斷流量特性：當(dāng)切斷閥進(jìn)口管路破裂，切斷閥主閥口能迅速關(guān)閉，防止升降缸因下腔失壓，負(fù)載急速墜落的工況，此時(shí)，切斷閥輔助油孔仍然導(dǎo)通，使得升降缸下腔油液能通過輔助油孔緩慢流出，負(fù)載平穩(wěn)下降[5,12,14,15,17]。該性能通過如下原理進(jìn)行模擬：當(dāng)通過切斷閥的流量反向激增時(shí)，超過某一閾值，模擬進(jìn)口管路破裂。試驗(yàn)時(shí)，通過閥的流量曲線來計(jì)算閥口關(guān)閉的閾值(即切斷流量)、閥口關(guān)閉的速度(流量變化響應(yīng)時(shí)間)及閥口切斷后的流量。

壓差-流量特性[13]：在通過閥口流量緩慢變化的條件下，測(cè)試閥口壓降隨流量的變化規(guī)律，閥口壓降過大，由節(jié)流作用，能量損失大。壓差-流量特定曲線是確定切斷閥額定流量大小的依據(jù)。該指標(biāo)通過如下原理進(jìn)行模擬：緩慢增大切斷閥供油流量，然后再緩慢減小切斷閥供油流量，同時(shí)測(cè)試切斷閥進(jìn)出口壓差。

耐久性特性[12,14]：切斷閥切斷時(shí)，壓力、流量突變，對(duì)閥芯、閥體等產(chǎn)生損壞，降低閥的可靠性，同時(shí)，切斷閥作為叉車液壓系統(tǒng)的保護(hù)裝置，對(duì)其可靠性和耐久性提出較高要求。因此，對(duì)同批次切斷閥進(jìn)行抽檢，對(duì)抽中的切斷閥進(jìn)行連續(xù)切斷試驗(yàn)，一定次數(shù)后，檢測(cè)閥的切斷性能，評(píng)判其耐久性。

3.2 性能測(cè)試液壓原理設(shè)計(jì)

目前，液壓切斷閥的性能測(cè)試裝置一般采用搭建重物臺(tái)架和液壓系統(tǒng)模擬叉車系統(tǒng)，并在切斷閥進(jìn)口管路安裝液壓閥，通過快速打開液壓閥模擬進(jìn)口管路爆裂工況，該方法需要搭建臺(tái)架和設(shè)置負(fù)載墜地時(shí)緩沖裝置，所需成本高，具有一定危險(xiǎn)性[5]，或者采用雙液壓缸試驗(yàn)，用小缸徑液壓缸拉大缸徑液壓缸模擬管道破裂，裝置復(fù)雜[4]，不適合叉車液壓切斷閥性能測(cè)試，為了保證切斷閥性能測(cè)試的安全性及可靠性，設(shè)計(jì)了全液壓的液壓切斷閥的性能測(cè)試液壓原理(如圖9所示)，通過控制系統(tǒng)的流量和壓力進(jìn)行性能測(cè)試。

將被試閥安裝測(cè)試工裝24上，比例變量泵16控制系統(tǒng)流量，比例溢流閥19調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，電液換向閥20通過被試閥油液流動(dòng)方向，流量計(jì)21測(cè)試流量大小，壓力傳感器22測(cè)量被測(cè)閥兩端閥壓力并通過采集卡傳至計(jì)算機(jī)。循環(huán)冷卻系統(tǒng)控制系統(tǒng)溫度。

切斷流量特性測(cè)試時(shí)，比例泵排量逐漸增加，并穩(wěn)定在某一值，比例溢流閥升壓至切斷閥試驗(yàn)壓力；然后，電液換向閥20右位得電，油液反向流入被試閥B口，一段時(shí)間后，比例泵流量快速增大，超過被試閥的切斷流量，同時(shí)，流量計(jì)、壓力傳感器測(cè)試閥通過流量和進(jìn)出口壓差。

圖9 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖1-油箱；2-加熱器；3-液位計(jì)；4-排油閥；5-空氣濾清器；6-溫度計(jì)；7、14-蝶閥；8、15-減震喉；9-螺桿泵；10、17-電機(jī)；11、18-過濾器；12-冷卻器；13-電磁水閥；16-比例變量泵；19-比例溢流閥；20-電液換向閥；21-流量計(jì)；22-壓力傳感器；23-壓力表；24-被試閥測(cè)試工裝

壓差-流量特性測(cè)試時(shí)，比例溢流閥升壓至切斷閥試驗(yàn)壓力，電液換向閥20左位得電，油液正向流入被試閥A口，比例泵流量逐漸增大，流量計(jì)、壓力傳感器測(cè)試閥通過流量和進(jìn)出口壓差。

耐久性特性測(cè)試時(shí)，重復(fù)進(jìn)行切斷流量特性測(cè)試。

3.3 結(jié)果分析

Labview軟件被廣泛應(yīng)用于虛擬測(cè)試技術(shù)[18-22]，叉車用液壓切斷閥性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)采用該測(cè)試軟件，根據(jù)上述液壓原理制作了液壓切斷閥測(cè)試裝置，該裝置分為液壓系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)，開發(fā)專用軟件，配合數(shù)據(jù)采集卡完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算，比例泵、比例閥等的控制，測(cè)試曲線的繪制，測(cè)試報(bào)告的生成。

采用該設(shè)備，對(duì)某型液壓切斷閥(該閥樣本提供參數(shù)：切斷流量65±10L/min，切斷后流量10±3L/min，80L/min壓力損失為0.7MPa)進(jìn)行了性能測(cè)試，液壓切斷閥測(cè)試曲線如圖10、11所示。由圖10可知，該測(cè)試方法可以測(cè)得閥進(jìn)出口壓差隨流量的變化規(guī)律，隨正向通過閥的流量增大，閥進(jìn)出口壓差逐漸升高，在80L/min時(shí)，壓差約為0.7MPa，由圖11可知，反向流通時(shí)，流量在58L/min時(shí)切斷，切斷后7L/min，測(cè)試結(jié)果符合該型切斷閥樣本參數(shù)。

圖10 液壓切斷閥試驗(yàn)-穩(wěn)態(tài)流量壓差曲線

圖11 液壓切斷閥試驗(yàn)-切斷流量曲線

同時(shí)，采用該設(shè)備對(duì)125臺(tái)液壓切斷閥進(jìn)行性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)有6臺(tái)液壓切斷閥實(shí)際性能參數(shù)超出規(guī)定指標(biāo)，拆開檢查存在閥芯磨損、彈簧剛度過大和配合間隙不合理情況，證明了該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保證具有重要作用。

4 結(jié)論

采用AMESim對(duì)液壓切斷閥和回路進(jìn)行了模擬仿真。其次，研究了性能測(cè)試方法，得出了液壓切斷閥的性能指標(biāo)，同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)了測(cè)試設(shè)備和液壓測(cè)試軟件；研究結(jié)果表明，通過采用比例變量泵控制系統(tǒng)流量，迅速變化比例變量泵信號(hào)，以采集卡為信號(hào)連接中端，對(duì)信號(hào)輸出控制和數(shù)據(jù)采集處理，可以采用系統(tǒng)流量突增來模擬進(jìn)口管路爆裂工況，并進(jìn)行切斷試驗(yàn)；該裝置簡(jiǎn)單、成本低、安全性高；實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化，提高了測(cè)量精度；可代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置中的臺(tái)架和緩沖裝置。