非对称换向阀在液压缸传动系统中的应用.pdf

E Q U I P ME N T MA N A G E ME N T A N D MA I N T E N A N C E l 嗵围固冒臣圈 文 章 编 号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 4 0 2 0 0 8 1 - 0 3 非对称换向阀在液压缸传动系统中的应用 白 志 强 无 锡市交通工程有限公司 ， 江苏 无锡 2 1 4 0 2 6 摘 要 针 对 液压缸 传 动 系统 中存 在 的功 率损 失和 系统发 热 问题 ， 分析 了液 压缸速 比对液压 缸运 动 速度、 进 出口流量和换向阀压力损失的影响规律 ， 提 出在液压缸 传动 系统 中采用非对称换 向阀， 以 减 小非对称 液 压缸 收 回时 的压力损 失 ， 提 高 系统 传动 效率 ， 减 少 系统 发 热 。 关 键 词 液 压缸 ； 非 对称换 向阀 ； 节 能 ； 压 力损 失 中图分 类号 U4 1 5 ． 5 文 献标 志码 B App l i c a t i o n o f As y mm e t r i c Re v e r s i ng Va l v e i n H y d r a u l i c Cy l i nd e r Dr i v e S y s t e m BAI Zh i q i a ng Wu x i Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g C o ．Lt d ． ，W u x i 2 1 4 0 2 6，J i a n g s u，Ch i n a Ab s t r a c t To d e a l wi t h po we r l o s s a n d he a t i n g o f hyd r a ul i c c yl i n de r d r i v e s ys t e m ，t he i nf l u e n c e o f hy d r a ul i c c yl i n de r s s pe e d r a t i o o n s ys t e m p e r f o r ma nc e，i n c l ud i ng t he v e l o c i t y，e n t r a nc e a n d e xi t f l ow a n d pr e s s u r e l os s of r e v e r s i ng va l v e wa s s t u di e d．As y m me t r i c r e v e r s i ng va l v e i s a dv i s e d t o be u s e d i n h yd r a ul i c c yl i nd e r s ys t e m ，i n o r de r t o r e d uc e t he p r e s s u r e l o s s o f hy d r a ul i c c y l i nd e r whe n wi t hd r a wi ng，i n c r e a s e dr i v i n g e f f i c i e nc y a n d d e c r e a s e he a t i n g． Ke y wo r d shy dr a u l i c c y l i nd e r ；a s y mm e t r i c r e ve r s i n g v a l ve；e n e r g y s a vi n g；pr e s s u r e l os s 0 引 言 2 O世纪 6 O年代 以来， 工程机械越来 越多地采 用液压传动技术来降低机械结构布置难度 ， 改善性 能和提高 自动化操作程度 。换 向阀控制的液压缸系 统是工程机械中最常用的液压 系统之一 ， 换 向阀在 液压系统中的主要作用在于改变液压油缸的液压油 进出 口流向， 控制液压缸 的运动方 向。带有 比例控 制功能的换 向阀还能够对液压缸的运动速度进行控 制 。在 非对 称液 压 缸 系统 设 计 过 程 中 ， 设 计 人 员 常 不 注意 换 向阀双 向 阀 口开 度对 非对 称油 缸前 进 和后 退 速度 的影 响 ， 以及造 成 的能 量损失 [ 。 液压系统损失的能量最终 以热量的形式在系统 中循环 ， 将会引起 系统油温升高 ， 油液粘度 变化 ， 导 致速度不稳定 ， 严重时甚至会影响系统正常工作。 1 阀控液压缸 系统结构与速度特性 阀控液压缸系统中常用的液压缸有对称液压缸 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 9 1 2 和非对 称液 压缸 两种 型式 ， 如 图 1 所 示 。 X l f J a 阀控 对 称 液 压 缸 系 统 b 控 非 对 称 液 压 缸 系 统 图 1 阀控液压缸系统结构 对称液压缸活塞两侧均设有活塞杆 ， 两腔有效 作用面积相等。活塞运动时 ， 液压缸的进 油流量与 回油流量相等， 系统选用的普通换 向阀， 在通流直径 满足最大流量要求 的情况下即能正 常工作 ， 且能量 损失 小 。 而对于非对称液压缸 ， 它只在活塞 的一侧设有 活塞杆 ， 因而两腔 的有效作用 面积不同。当供油量 相同时， 不同腔进油， 活塞 的运动速度不同； 在需 克 服的负载力相同时 ， 不同腔进油， 所需要的供油压力 81 E QUI P ME NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 不 。在 阀控非 对称 液 缸 系统 中 S 一 D 1 4 S 一 D 一 Ql一 ‘ 2 Q2一 2 2 3 4 式 { J ．1 S 为 无 朴 腔 面 积 ； S 为 有 杆 腔 面 积 ； D 为 活 塞 卣径 ； 为 活 塞杆 直径 ； 为 油缸 运 动速 度 ； Q 为 尤杆 腔流量 ； Q 为有杆 腔流量 。 非对称 液 缸 运动 时 ， 无 杆 腔 与 有杆 腔 的流 量 之 比为 QI ～ D r 1 2 l r _、 一 _ 二 丽 即尢朴 流 量与 有仟腔 流量 之 比为液压 缸杆 径 L j 缸 径之 比的 数 。液 压缸 杆 径 与缸 径 之 比越 大 ， 无杆 腔流量 与有 杆腔 的流 量差 别越大 。如液 压缸 设 计 速 比 有杆 腔 和无杆 腔 面 积 之 比 为 0 ． 5时 ， 无 杆 腔流 量与有 杆腔 的流 量之 比为 2 。 在某些 应用 中， 需 要 液压 缸 的 仲 出 和收 回速 度 卡 日 等 如摊铺机的找平系统 和钻饥进给系统等 ， 且 必须 使用非 对称 液 压 缸 。此 时 ， 液 压 缸伸 出和 收 同 时的进 油流 之 比为 2 速 度 比为 0 ． 5 。 2 换 向阀流量特性 住 一般 的 阀控 液 压 缸 系 统 中 ， 液压 泵 泵 出 的 高 油通 过换 向 进 入 液压缸进 油 【 I 。液 压缸 的进 油 口流 量 由换 向 阀的开 度 控 制 ， 进 入 液 压缸 进 油 腔 的 液 油推动活塞运动 ， 使另一腔的液 油从液压缸 的 回油 排 ， 通 过换 向阀 油箱 。 换 向阀结构 原理 如图 2所示 。 J f 联汕路 旁通汕路 T B A a 。 。 。。 。 。 。。 。 。。 。 。 。 4 I 1 l l 一由 f i 2 12 l 丫 。 } L P 图 2 换 向阀结构原理 如 无特 殊说 明 ， 换 向阀 的 A、 t 3口一 般 为对 称设 计 ， 即 P A 干 P B 的通 流 直 径 相 等 ， A一 ] r和 I 3 一 T 的通 流 直径相 等 。 82 以某进油通径为 1 2 mm的换向阀为例 ， 其额定 流量 为 7 O I m{ n ， 换 向 阀 流 量 特 性 曲线 如 罔 3 所示 。 3抉 嗍 蒯 流 量压 差 曲线 从 图 3中可 以看 出以下 两点 。 1 无论 进 油 还 是 回油 ， 换 向 阀 均 存 住 压 力 损 失 ， 压力 损失 随通 流流量 的增 加而 增加 。 2 由于 回油 通 径 大 于进 油通 径 ， 在 流 量 相 同 的情 况下 ， 回油压 力损失 小于进 油压 力损 失 。 3 非对称油缸系统 功率损 失分析 在液 压缸传 动 系 统 中 ， 引起 能量 损 失 的 因 素很 多 ， 有换 向制动 过程 中出现 的能量损 失 ， 有元件 本 身 的 能量损 失 ， 还 有 溢 流 损 失 以及 背 压 和 管 路 损 失 。 在元 件效 率一 定 的条 件 下 ， 系统 的 总效 率 与 结 构 没 汁的关系极为密切。对于问歇动作的液压缸传动系 统 ， 能量损 失造 成 的系统发 热不 明显 ， 但 住频 繁动作 的应用场合， 液压缸传动系统 的能量损失及其造成 的 系统发 热不 容忽视 。 阀控 非对称 液压 缸系统 中 ， 有 杆腔进 油 时 ， 同 油流 量会 因为无 杆腔 和有杆 腔 的有效 作用 面积 比 放大 ， 放大 的流量 会 导致 背 压 升 高 ， 增加 能 量 损 失 ； 同 时为克 服 油背 压 ， 需 要 更 高 的 上作 压 力 。在 非 对称 液压 缸 巾存 在 以下关 系 p S 声， S， 6 s 一 s 即 p 一 p 5 一 s 即 p 一 7 8 式中 为无杆腔压力； 为有杆腔压力； 为回油 背压； 声 为无杆腔进油克服 回油背压所需 的T作 力； 为有杆腔进油克服叫油背压所需的 作压力。 以速 比为 0 ． 5的液压缸 和 网 2 昕 示换 向阀组成 的液压缸系统为例， 有杆腔和无杆腔的流量之 比为 l2。 油缸伸 出 丁况 为 无杆 腔 进 油 ． 台 杆 腔 回 油 。 当 E QUI P M E NT MANAGE ME NT AND MAI NTE NANCE 无杆 腔 进 油 流 量 等 于额 定 流 量 7 O L mi n 时 ， 有 杆腔 的 回油 流 量 为 3 5 Lmi n 一 ， 进 油压 力 损 失 为 7 ． 5 b a r ， 回油压力损失为 1 b a r ， 进油腔克服回油背 压需要的压力为 2 b a r 。 油缸 回收 工况 为 有 杆 腔 进 油 ， 无 杆 腔 回油 。 当 有杆腔进 油流量等于额定流量 7 0 I mi n 时， 无 杆 腔 的 回油流量 为 1 4 0 L mi n 一 ， 进油 压力 损 失 为 7 ． 5 b a r ， 回油压 力损 失 约 为 7 b a r ， 进 油腔 克 服 回油 背 压需 要 的压力 为 1 4 b a r 。 图 4 、 5为某 旋 挖 钻 机加 压／ 提 升油 缸 系 统 的压 力 测试 曲线 。 图 4 液压缸 回收压力曲线 图 5 液压缸 伸出压力 曲线 试 验 数据充 分 论 证 了前 文 推 导 结 论 的 正确 性 。 在大流量系统中， 压力损失引起 的功率损失非常大， 因此 ， 减小液压缸传动系统 中换 向阀上 的压力损失 对于提高液压缸传动系统的效率 ， 减少系统发热具 有 重要 意 义 。 4 减 小液压 缸系统压 力损 失的措施 减小换 向阀上压力 损失的主要方 法有 以下 两种 。 1 采用 大通径 的换 向 阀。 当换 向 阀 的最 大流 量大 于液压泵 的出 口流量时 ， 液压 油流经 换 向阀时 的 压力损 失和 回油 背压 小 。此 时 ， 液压 缸 的运动速 度 由 液压泵 的 出口流量决 定 ， 且伸 出和收 回速度不 相等 。 2 根据 液压 缸 的速 比选 择适 合 的非 对 称换 向 阀。与液压缸有杆腔和无杆腔联结 的换向阀阀 口具 有不同的最大开度 ， 此时液压油流经换向阀时的压力 损失和 回油背压小 ， 且液压 缸伸 出和 收 回速度相等 。 表 1为力 士 乐 公 司 M6阀 的 A、 B 口流 量 不对 称设定表。通过调整 A、 B口的行程限制器 ， 可 以实 现对 A、 B 口最 大 流 量 的 限制 。在 液 压缸 的有 杆 腔 和无杆 腔分 别连 接换 向阀 的 A 口 小 流量 口 、 B 口 大流量 口 ， 能够有效避免 出现大的回油背压损失 ， 以及由此导致进油压力升高而造成的能量浪费。表 1中所列数据为标准流量特性 ， 仅能满足部分非对 称液压缸的流量控制需求 ， 更多 的流量特性还需要 通过调整行程限制器获得。 表 1 力士乐 M6阀的流量设定 进 出 口 流量／ Lmi n _ 。 A 5 0 7 5 1 0 0 1 2 O 1 3 0 1 5 O 1 6 O 4 5 5 O 6 O 8 0 8 0 1 O O 1 2 O 3 O 3 O 5 O 6 O B 5 O 7 5 1 0 0 1 2 O 1 3 O 1 5 O l 6 O 9 O 1 2 O 1 3 O l 2 O 1 6 O 1 4 0 1 6 O 1 O O 1 6 0 1 5 O 1 6 O 5 结 语 持液压系统具有较高的传动效率。 非对称液压缸在工程机械 中应用广泛 ， 在液压 缸偶尔工作的设备 中， 非对称液压缸液压 系统 的功 率损失不明显 。但在液压缸频繁动作 的设备 中， 非 对称液压缸液压系统 的功率损失严重 ， 必 须引起足 够的重视 ， 以免造成过多 的能量浪费和液压 系统发 热。目前 ， 采用非对称阀芯行程的换向阀， 能够在保 证 非对称液压缸伸出与收 回速度一致的条件下 ， 保 参考 文献 [1 ] 宋又廉 ， 张谦． 能感受负载的节能液压 系统 [ J ] ． 筑路 机械与 施工机械化 ， 1 9 9 8 ， 1 5 1 8 - 1 0 ． [ 2] 林添 良． 混合动力液压挖掘机势能回收系统 的基 础研 究[ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 1 1 ． [ 3] 刘建开 ， 龚高柏 ， 张洪祥． 旋挖钻机 液压节能新 技术 [ J ] ． 筑 路 机械与施工机械化 ， 2 0 1 1 ， 2 8 3 2 2 2 5 ． [ 责任编辑 杜卫华] 83