武 哲， 李寶仁， 楊 鋼， 高隆隆

(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 FESTO氣動(dòng)中心， 武漢 430074)

全回轉(zhuǎn)舵槳是集舵與槳為一體的一種新型船舶推進(jìn)裝置，可提供360°全方位矢量的推力，具有推進(jìn)效率高、操作靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它可以使船舶作回轉(zhuǎn)、直航、倒航、斜航、橫移等運(yùn)動(dòng)，是動(dòng)力定位工程類船舶、港作船、拖輪、消防船等的重要設(shè)備[1-4]?；剞D(zhuǎn)是全回轉(zhuǎn)舵槳工作過(guò)程中最頻繁的動(dòng)作之一，其是通過(guò)控制含平衡閥的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐的旋轉(zhuǎn)才能得以完成。因此，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性直接影響船舶航向控制的穩(wěn)定性以及動(dòng)力定位準(zhǔn)確性。

振動(dòng)是影響系統(tǒng)正常工作的最大問(wèn)題之一，含平衡閥的系統(tǒng)更容易振動(dòng)，人們認(rèn)為平衡閥很難穩(wěn)定[5-6]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展了相關(guān)研究。Miyakawa通過(guò)求解線性方程組方式研究了平衡閥彈簧剛度、閥芯錐角、先導(dǎo)阻尼孔對(duì)含平衡閥回路穩(wěn)定的影響。陳晉市等[7]研究了平衡閥阻尼以及平衡閥與馬達(dá)之間的敏感容腔對(duì)起重機(jī)起升系統(tǒng)抖動(dòng)現(xiàn)象的影響以及改善措施。閔為等[8]研究了不同閥芯和閥體結(jié)構(gòu)條件下壓力調(diào)節(jié)錐閥開(kāi)啟過(guò)程的振動(dòng)特性和系統(tǒng)激勵(lì)因素。袁士豪等[9]分析了平衡閥不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。湯何勝等[10]研究了平衡閥節(jié)流孔直徑和彈簧剛度對(duì)馬達(dá)制動(dòng)特性的影響。張紅軍等[11]針對(duì)工程機(jī)械行業(yè)存在的負(fù)負(fù)載提出了泵控馬達(dá)和閥控缸系統(tǒng)的液壓平衡及限速方法。許益民等[12]分析了超越負(fù)載工況下馬達(dá)制動(dòng)回路的典型故障機(jī)理以及液壓制動(dòng)方法。馬來(lái)好等[13]基于聯(lián)合仿真模型分析了全回轉(zhuǎn)工況和沖擊載荷工況下吊艙回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。然而，關(guān)于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)發(fā)生回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理及控制方法的研究并不多。

作者在進(jìn)行某自升式海工平臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置的系泊試驗(yàn)時(shí)，其回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)周期性“嗒嗒”的打擊聲，并伴隨著回轉(zhuǎn)動(dòng)作發(fā)抖現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象(rotation jitter phenomena，RJP)。作者分析認(rèn)為，由于全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)過(guò)程中多閥件耦合匹配技術(shù)尚未突破，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中平衡閥控制壓力不穩(wěn)定，會(huì)引起平衡閥的閥芯處于頻繁啟閉狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象。為此，通過(guò)在平衡閥控制口處設(shè)置分壓節(jié)流孔構(gòu)造液壓半橋的方式消除了全回轉(zhuǎn)舵槳的回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象[14-15]。然而，設(shè)置分壓節(jié)流孔構(gòu)造液壓半橋進(jìn)行分壓濾波時(shí)，必須提高系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)腔的壓力才能保證控制腔必要的壓力，這會(huì)改變系統(tǒng)工況點(diǎn)，并且會(huì)增加耗能。另外，為尋求分壓節(jié)流孔直徑與系統(tǒng)的最佳匹配關(guān)系需要更換不同孔徑的節(jié)流孔進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，浪費(fèi)人力物力。

本文基于AMESim搭建了全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型，從元件與系統(tǒng)性能相匹配的內(nèi)在關(guān)系層面，揭示了具有普適意義的含平衡閥系統(tǒng)發(fā)生回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象的機(jī)理以及抑制回轉(zhuǎn)抖動(dòng)的控制方法，以期為含平衡閥系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、使用提供一定參考。

1 含平衡閥的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

1.1 平衡閥結(jié)構(gòu)

圖1是CB系列平衡閥剖面圖和符號(hào)圖。該平衡閥為經(jīng)典類非卸荷產(chǎn)品，其集成了單向功能、溢流功能、液控節(jié)流功能三種模式。當(dāng)出口②的壓力油通過(guò)主閥芯1圓周方向的孔進(jìn)入主閥芯內(nèi)腔推動(dòng)單向閥芯2右移，克服單向彈簧6的預(yù)緊力，開(kāi)啟出口②至負(fù)載口①的通道流出，進(jìn)入單向功能模式；當(dāng)控制口③無(wú)控制壓力時(shí)，負(fù)載口①的壓力油同時(shí)作用在主閥芯1和單向閥芯2上克服主彈簧4的預(yù)緊力，推動(dòng)主閥芯1和單向閥芯2左移，單向閥芯2被止動(dòng)桿5限位后，主閥芯1繼續(xù)左移，負(fù)載口①至出口②的通道開(kāi)啟，進(jìn)入溢流功能模式；當(dāng)控制口③有控制壓力時(shí)，此壓力經(jīng)過(guò)控制壓力通道7作用于主閥芯1的控制腔面積上克服主彈簧4的預(yù)緊力，推動(dòng)主閥芯1和單向閥芯2左移，直至單向閥芯2被止動(dòng)桿5限位后，主閥芯1繼續(xù)左移，負(fù)載口①至出口②的通道開(kāi)啟，進(jìn)入液控節(jié)流功能模式。

1．主閥芯； 2. 單向閥芯； 3. 閥套； 4. 主彈簧； 5. 止動(dòng)桿；6. 單向彈簧； 7. 控制壓力通道 (a) 剖面圖

① 負(fù)載口； ② 出口； ③ 控制口 (b) 符號(hào)圖圖1 CB系列平衡閥剖面圖和符號(hào)圖Fig.1 Cross-section and symbol diagram of CB series counterbalance valve

由圖1可知，CB系列平衡閥的主閥芯采用錐面密封，其閥芯行程-通流面積特性是逐步過(guò)渡的，不易實(shí)現(xiàn)多斜率特性[16]。因此，CB系列平衡閥將六瓣梅花形的節(jié)流槽加工在閥套上，用不同長(zhǎng)度的節(jié)流槽來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的閥芯行程-通流面積特性，即節(jié)流特性。在相同的外形尺寸條件下，CB系列平衡閥有標(biāo)準(zhǔn)型、半節(jié)流型、全節(jié)流型3種經(jīng)典結(jié)構(gòu)。圖2為CB系列平衡閥不同節(jié)流特性的閥套。

1.2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

圖3為全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)為典型的“一拖二”開(kāi)式液壓源回路。其中：溢流閥2調(diào)定系統(tǒng)工作壓力；平衡閥4、5減小回轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中的沖擊，尤其在系統(tǒng)受到負(fù)負(fù)載時(shí)可使系統(tǒng)保持穩(wěn)定以及在回轉(zhuǎn)動(dòng)作停止后起穩(wěn)定舵角的作用；過(guò)載溢流閥9和單向閥10～13組成緩沖補(bǔ)油回路[17]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)制動(dòng)或換向時(shí)的雙向緩沖及馬達(dá)失速時(shí)充分補(bǔ)油功能；梭閥15是將馬達(dá)兩個(gè)工作口中壓力高的端口連接到信號(hào)口；單向節(jié)流閥16是對(duì)液壓剎車起“快松慢合”的作用；當(dāng)換向閥4在左位工作時(shí)，平衡閥6進(jìn)入單向功能，平衡閥5進(jìn)入液控節(jié)流功能，液壓泵1輸出的液壓油液驅(qū)動(dòng)馬達(dá)14順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)舵槳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)換向閥4在右位工作時(shí)，平衡閥5進(jìn)入單向功能，平衡閥6進(jìn)入液控節(jié)流功能，液壓泵1輸出的液壓油液帶動(dòng)馬達(dá)14逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)全回轉(zhuǎn)舵槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)換向閥3在中位時(shí)，全回轉(zhuǎn)舵槳停止工作，液壓剎車鎖死回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)型

(b) 半節(jié)流型

(c) 全節(jié)流型圖2 CB系列平衡閥不同節(jié)流特性的閥套剖面圖Fig.2 Cross-section for sleeve of CB series counterbalance valve with different throttling characteristics

1. 液壓泵； 2. 單向閥； 3. 溢流閥； 4. 比例閥； 5、6. 平衡閥； 7、15. 梭閥； 8. 邏輯閥； 9. 過(guò)載溢流閥； 10～13. 單向閥；14. 馬達(dá)； 16. 單向節(jié)流閥； 17. 回轉(zhuǎn)支承

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 平衡閥

當(dāng)平衡閥的閥芯為錐閥和滑錐閥時(shí)，則通過(guò)閥口的流量方程為

(1)

式中：Cd為閥口流量系數(shù)；d為閥口直徑，mm；x為閥芯位移，mm；α為閥芯的半錐角；Δp為閥口壓差，MPa；ρ為油液密度，kg/m3。

平衡閥閥芯的動(dòng)力學(xué)平衡方程為

f-Fs

(2)

式中：m為閥芯質(zhì)量及三分之一彈簧質(zhì)量之和，kg；p1為負(fù)載口壓力，MPa；A1為主閥芯作用面積，m2；p2為出口壓力，MPa；A2為出口作用面積，m2；p3為控制口壓力，MPa；A3為控制口作用面積，m2；k0為彈簧剛度，N/mm；x0為彈簧預(yù)壓縮量，mm；f為閥芯所受摩擦力，N;Fs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，N。

2.2 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)

旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的泄漏流量與平衡閥的控制壓力和負(fù)載壓力有關(guān)，馬達(dá)的流量方程為

Qm=Ctm(p3-p1)+qmωm

(3)

式中：Ctm為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的總泄漏系數(shù)；qm為馬達(dá)理論排量，mL/r；ωm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，r/min。

馬達(dá)的負(fù)載力矩平衡方程為

(4)

式中：Jt為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Bt為阻尼系數(shù)；TL為變負(fù)載力矩，N·m。

3 理論結(jié)果及分析

根據(jù)式(1)～(4)建立含平衡閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及液壓原理圖，搭建全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。該模型主要包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)模型、減速裝置模型、平衡閥模型、緩沖補(bǔ)油回路模型、梭閥模型、邏輯閥模型、比例閥模型等。其中，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)模型14為“一拖二”回路中雙馬達(dá)的等效模型，減速裝置模型15是減速機(jī)以及回轉(zhuǎn)支承的等效模型。根據(jù)實(shí)際工況，確定系統(tǒng)仿真模型主要元件的參數(shù)，如表1所示。

全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不僅與慣性負(fù)載、平衡閥控制比有關(guān)，而且受平衡閥的最大節(jié)流流量、閥芯行程-通流面積特性的影響。本節(jié)將主要分析平衡閥最大節(jié)流流量、閥芯行程-通流面積特性對(duì)全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

3.1 最大節(jié)流流量的影響

基于逆向思維驗(yàn)證平衡閥最大節(jié)流流量與含平衡閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的匹配關(guān)系。當(dāng)平衡閥選取為:CBDC-LHN，最大節(jié)流流量為80 L/min時(shí)，取液壓泵排量分別為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r。圖5為不同排量時(shí)全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度曲線。

由圖5可知，當(dāng)液壓泵排量為55 mL/r時(shí)，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，比例閥開(kāi)啟后回轉(zhuǎn)速度一直維持在3.48 r/min；當(dāng)液壓泵排量為50 mL/r時(shí)，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度存在輕微的振蕩現(xiàn)象，且這種振蕩現(xiàn)象隨著時(shí)間的增加并未平息；當(dāng)液壓泵排量為45 mL/r時(shí)，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度存在明顯的周期性振蕩現(xiàn)象，振動(dòng)幅度明顯增大；當(dāng)液壓泵排量為40 mL/r時(shí)，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)劇烈的周期性振蕩現(xiàn)象，與前者相比其振動(dòng)幅度明顯增大，且相位存在明顯的滯后現(xiàn)象。

1. 液壓泵； 2. 單向閥； 3. 溢流閥； 4. 比例閥； 5、6. 平衡閥； 7. 梭閥； 8. 邏輯閥； 9. 安全閥； 10～13. 單向閥； 14. 馬達(dá)； 15. 減速裝置； 16. 慣性負(fù)載； 17. 速度傳感器； 18. 等效負(fù)載

表1 模型中主要元件參數(shù)

圖5 不同排量時(shí)全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度曲線

圖6和圖7是液壓泵排量分別為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r時(shí)平衡閥控制口壓力曲線圖和平衡閥閥芯位移曲線圖。

圖6 不同排量時(shí)平衡閥控制口壓力曲線Fig.6 Control pressure curve of the counterbalance valve at different displacements

圖7 不同排量時(shí)平衡閥閥芯位移曲線Fig.7 Displacement curve of the counterbalance valve spool at different displacements

由圖6、圖7可知，當(dāng)液壓泵排量為40 mL/r時(shí)，回轉(zhuǎn)過(guò)程中平衡閥的控制壓力在13.8～18 MPa之間周期性波動(dòng)，波動(dòng)幅度約為4.2 MPa，而平衡閥閥芯也隨著控制壓力的周期性波動(dòng)處于頻繁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨著液壓泵排量增大，平衡閥控制壓力由波動(dòng)較大逐步減少直至變得比較平穩(wěn)，平衡閥閥芯位移也由頻繁啟閉狀態(tài)逐漸變?yōu)楸容^穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)液壓泵排量為55 mL/r時(shí)，平衡閥控制壓力、閥芯位移均處于穩(wěn)定狀態(tài)，回轉(zhuǎn)動(dòng)作平穩(wěn)，有效地消除了回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象，提高了操作穩(wěn)定性。其原因是平衡閥CBDC-LHN的最大節(jié)流流量為80 L/min，而液壓泵的理論流量等于液壓泵的排量與轉(zhuǎn)速的乘積，因此，在不考慮泄漏及油液壓縮條件下，當(dāng)液壓泵排量為40 mL/r、45 mL/r、50 mL/r、55 mL/r時(shí)理論流量分別為60 L/min、67.5 L/min、75 L/min、82.5 L/min。當(dāng)液壓泵的理論流量明顯小于平衡閥最大節(jié)流流量時(shí)，平衡閥閥芯開(kāi)啟瞬間將會(huì)通過(guò)較大的流量而此刻液壓泵的輸出流量來(lái)不及補(bǔ)充，進(jìn)而導(dǎo)致平衡閥控制壓力急劇降低，平衡閥閥芯開(kāi)度隨之減小甚至關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)壓力重新建立之后，平衡閥閥芯又逐漸打開(kāi)，周而復(fù)始，平衡閥控制壓力的周期性波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致閥芯位置、通流面積較大的波動(dòng)甚至出現(xiàn)頻繁的啟閉狀態(tài)，反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致控制壓力的波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大，從而誘發(fā)了全回轉(zhuǎn)舵槳的回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象。然而，當(dāng)液壓泵流量大于或等于平衡閥最大節(jié)流流量時(shí)，平衡閥控制壓力和閥芯位移對(duì)流量的變化越不敏感，全回轉(zhuǎn)舵槳的回轉(zhuǎn)速度就相對(duì)平穩(wěn)。

3.2 不同行程-通流面積特性的影響

當(dāng)液壓泵排量取45 mL/r時(shí)，取4種外形尺寸相同、控制比為3∶1、設(shè)定壓力均為28 MPa，而行程-通流面積特性不同的CBEA-LHN標(biāo)準(zhǔn)型、CBDC-LHN半節(jié)流型、CBDA-LHN全節(jié)流型、MBE*-LHN改進(jìn)型平衡閥，上述4種平衡閥的技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

如前文所述，當(dāng)液壓泵排量為45 mL/r時(shí)，其理論流量為67.5 L/min。含平衡閥的系統(tǒng)需要的最大節(jié)流流量67.5 L/min遠(yuǎn)比上述4種平衡閥的名義流量120 L/min小得多。圖8是不同行程—通流面積特性時(shí)回轉(zhuǎn)速度曲線。

由圖8可知，平衡閥選取CBEA標(biāo)準(zhǔn)型時(shí)，回轉(zhuǎn)速度出現(xiàn)劇烈的周期性波動(dòng)現(xiàn)象，且隨著時(shí)間的增加波動(dòng)的幅度無(wú)衰減的趨勢(shì)；平衡閥選取CBDC半節(jié)流型時(shí)，回轉(zhuǎn)速度仍存在波動(dòng)現(xiàn)象，但波動(dòng)的幅度明顯減小、相位明顯滯后。由表2可知，CBEA標(biāo)準(zhǔn)型、CBDC半節(jié)流型平衡閥的最大節(jié)流流量分別為120 L/min、80 L/min，兩者均大于設(shè)計(jì)流量(液壓泵理論流量)67.5 L/min，這會(huì)引起平衡閥閥芯處于頻繁啟閉狀態(tài)，且當(dāng)平衡閥最大節(jié)流流量與設(shè)計(jì)流量差值越大，回轉(zhuǎn)速度波動(dòng)越明顯；平衡閥選取CBDA全節(jié)流型時(shí)，回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象消除，系統(tǒng)獲得了良好的平穩(wěn)性，但是其回轉(zhuǎn)速度2.31 r/min遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值2.85 r/min，無(wú)法滿足全回轉(zhuǎn)舵槳對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求。其原因是CBDA全節(jié)流型平衡閥的最大節(jié)流流量30 L/min遠(yuǎn)小于液壓泵的理論流量67.5 L/min，系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的壓力損失和溢流發(fā)熱現(xiàn)象所致；然而，平衡閥選取為MBE*改進(jìn)型時(shí)，僅在比例閥開(kāi)啟瞬間存在輕微波動(dòng)現(xiàn)象，隨后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，回轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)，流量調(diào)節(jié)性能更精準(zhǔn)。仿真結(jié)果與系泊試驗(yàn)時(shí)用上述4種行程-通流面積特性不同的平衡閥消除回轉(zhuǎn)抖動(dòng)時(shí)獲得的結(jié)果完全吻合。

圖8 不同行程-通流面積特性時(shí)回轉(zhuǎn)速度曲線Fig.8 Slewing speed curve of azimuth thruster at different stroke-flow area characteristic

圖9是MBE*平衡閥剖面圖和通流孔示意圖。對(duì)比圖1發(fā)現(xiàn)，MBE*改進(jìn)型平衡閥與CB系列平衡閥的結(jié)構(gòu)顯著不同，其差異性主要體現(xiàn)在阻尼套和節(jié)流套上。由圖9(a)可知，在主閥芯1左端增加了一個(gè)阻尼套5，在主閥芯1復(fù)位關(guān)閉通道后，阻尼套靠左處于卸荷位置，當(dāng)控制口③壓力油推動(dòng)主閥芯向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧腔中壓力油需要排出進(jìn)而推動(dòng)阻尼套5向右移動(dòng)，封住了彈簧腔中油液通過(guò)主閥芯中通孔的流出通道，只留下一個(gè)直徑很小的阻尼孔，這樣就延緩了主閥芯的運(yùn)動(dòng)和負(fù)載口①至出口②的通道開(kāi)啟，從而改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

由圖9(a)、9(b)可知，在負(fù)載口①、出口②之間仍采用內(nèi)錐面密封，但是在主閥芯1增加了一個(gè)節(jié)流套6，其圓周表面有沿軸向錯(cuò)開(kāi)分布的圓孔通道以及斜孔7。這樣既保持了與CB系列相同的孔型，又延長(zhǎng)了閥芯的有效行程，使其節(jié)流特性更接近滑閥，流量調(diào)節(jié)性能更精準(zhǔn)。圖10是平衡閥不同行程—通流面積特性對(duì)比曲線圖。

1． 主閥芯； 2. 單向閥芯； 3. 單向彈簧； 4. 主彈簧； 5. 阻尼套； 6. 節(jié)流套； 7. 斜孔

(b)通流孔示意圖圖9 MBE*平衡閥剖面圖和通流孔示意圖Fig.9 Cross-section and flow-through hole diagram of MBE* counterbalance valve

圖10 平衡閥不同行程-通流面積特性對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curve of different stroke-flow area characteristic for counterbalance valve

由圖10可知，當(dāng)平衡閥閥芯行程小于6 mm時(shí)，CB**系列平衡閥的通流面積梯度明顯大于MBE*改進(jìn)型的，且隨著閥芯位移的增加，CB系列平衡閥的通流面積呈指數(shù)趨勢(shì)快速遞增，而MBE*改進(jìn)型通流面積呈近似線性趨勢(shì)平緩增長(zhǎng)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥芯行程大于等于6 mm時(shí)，CB系列平衡閥通流面積達(dá)到其對(duì)應(yīng)的最大值，MBE*改進(jìn)型平衡閥的通流面積才呈指數(shù)規(guī)律遞增，然而其通流面積梯度卻略小于與其有同等通流能力的CBEA標(biāo)準(zhǔn)型平衡閥。因此，MBE*改進(jìn)型平衡閥的閥芯有效行程遠(yuǎn)大于前者，有效地提高了閥芯分辨率，也即降低了通流面積對(duì)閥芯行程的敏感度，控制性能更好。CB**系列中CBEA標(biāo)準(zhǔn)型的通流面積梯度最大，CBDC半節(jié)流型的通流面積梯度次之，CBDA全節(jié)流型的通流面積梯度最小。通流面積梯度越大，通流面積對(duì)閥芯行程越敏感，特別是在剛開(kāi)啟時(shí)，很容易出現(xiàn)通流面積一下開(kāi)得很大，然后又關(guān)閉得過(guò)小，全回轉(zhuǎn)舵槳回轉(zhuǎn)速度就相對(duì)波動(dòng)嚴(yán)重一些，不易控制。故可推斷，平衡閥開(kāi)啟調(diào)節(jié)過(guò)程中控制壓力的周期性波動(dòng)是由閥芯行程—通流面積特性不同所導(dǎo)致的節(jié)流特性不同而引起的受迫周期性波動(dòng)。

4 結(jié) 論

(1) 平衡閥控制壓力的周期性波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致閥芯位置、通流面積較大的波動(dòng)甚至出現(xiàn)頻繁的啟閉狀態(tài)，反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致控制壓力的波動(dòng)，對(duì)含平衡閥系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題影響較大，這是誘發(fā)全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)發(fā)生回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象的根本原因。

(2) 平衡閥開(kāi)啟調(diào)節(jié)過(guò)程中控制壓力的周期性波動(dòng)是由閥芯行程—通流面積特性不同所導(dǎo)致的節(jié)流特性不同而引起的受迫周期性波動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)與工程實(shí)踐十分一致。

(3) 含平衡閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量必須同時(shí)考慮兼顧平衡閥的名義流量、最大節(jié)流流量。CB系列平衡閥的最大節(jié)流流量略小于或者等于系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量時(shí)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)更容易獲得良好的平穩(wěn)性。在設(shè)計(jì)流量較小的場(chǎng)合，CB系列平衡閥如果沒(méi)有選擇全節(jié)流型的話可能出現(xiàn)回轉(zhuǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象。然而，MBE*改進(jìn)型平衡閥就沒(méi)有此問(wèn)題，可以選取較大規(guī)格，從而在設(shè)計(jì)流量較大時(shí)仍能保持較低的壓力損失。