综述压降对液压系统的影响（上）.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e als ， NO ． 0 9 ． 2 0 1 3 综述压降对液压系统的影响 上 邓 江涛 ， 杨发虎 ， 石 迁 重庆迪马工业有 限责任公司 研究 院， 重庆4 0 1 3 3 6 摘要 一个 液压系统在某处都会 或多或少地产生一定的压降 ， 但压 降在某处是必须 的 ， 在某处是不必要的。 很 多液压系统故障的根本 原因就是 由压降没有合理解决引发 的。 通过该文 的分析 ， 提出合理的运用 压降必须处 、 控制压降 压降不必要处 的方法 ， 使液压系统 设计更合理 ， 减 少液压系统故障率 ， 提升液压 系统有效效率 。 关键词 压降 ； 背压 ； 泵控系统 ； 压力损失 。 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 9 0 0 4 3 0 5 E ff e c t o f P r e s s u r e Dr o p t o t h e Hy d r a u l i c S y s t e m 1 D E N G J i a n g - t a o ， Y AN G 一 u ， S HI Q 肌 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h o n g q i n g D i m a I n d u s t r y L i mi t e d L i a b i l i t y C o m p a n y ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c s y s t e m s o me wh e r e w i l l b e mo r e o r l e s s p r o d u c e a c e r t a i n p r e s s u r e d r o p ， b u t t h e p r e s s u r e d r o p i s n e c e s s a r y s o me w h e r e a n d i t i s u n n e c e s s a r y s o me wh e r e ． T h e r o o t c a u s e s o f the ma n y h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e s a r e t rig g e r e d b y t h e u n r e a s o n a b l e p r e s s u r e d r o p ．T h rou g h t h e a n a l y s i s i n t h i s p a p e r ,the me t h o d s o f rea s o n a b l e u s e a s n e c e s s a r y a n d c o n t r o l o f p r e s s u r e d rop a s u n n e c e s s a r y a r e p r o p o s e d t o m a k e the h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n m o r e r e a s o n abl e ，r e d u c e h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e r a t e ，a n d e n h a n c e t h e e ff e c t i v e e ffi c i e n c y o f the h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s p r e s s u r e d rop； b a c k p r e s s u r e ； p u mp c o n t rol s y s t e m； p r e s s u r e l o s s O引言 系统或元件 内两点 进 、 出 口处 压力之差称为压 降 ．流动 的液体在管路或控制元件处都会产生一定 的 压降。压降对液压系统的影响分为两种 ①有益的， 这 种压降是必须的 ．无它则液压 系统是不 能工作或不能 顺畅工作的， 应合理运用； ②有害的， 这种压降是不必 要的 ． 压降过大则液压系统发热严重或损坏液压件 ． 应 严格控制 实践证 明 压降是很多液压系统故障 的根本原因 。 笔者希望通过本文的分析 ．让液压工作者合理运用控 制压降的方法 。 1 有益 的压 降运用 场合 有益的压降常运用于 6种场合 ①泵控系统 ； ②阀 控系统； ③先导压力控制 ； ④调速 ； ⑤机构运动平稳； ⑥ 机构 同步运动。压降值 须调节的合理 ， 如压降值过 小则液压系统不能工作或不能顺 畅工作 ．压降值过大 则导致液压系统有效效率低 、 发热严重。现分别讨论这 6种常用场合。 收 稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 9 作者简介 邓江涛 1 9 7 5 一 ， 男 ， l3 J l 邻水人 ， 大专 ， 现从事工程车辆液压系统 设计。 1 ． 1 泵控 系统 图 1 为泵控系统原理图。 A B A B 船 ，一 一 一 I 坤 一 卑 一一 L - 一 _ ／ 5 莅 七 ＼4 、 、 一 _ J ＼3 、 7 ， 2 i ． ／ p - ． ／ ． 一 l 一 变 量 柱 塞 泵2 一 变 量 缸 3 一 压 力 切 断 阀4 - 堵 头 或 节 流 子 5 一 负荷敏感 阀6 一 压力补偿 阀7 一 节流子8 一 比例换 向阀 9 一 变量杠杆1 0 一 辅助变量缸 图 1 泵控系统原 理图 液压泵通过反馈信号作用于变量机构随时满 足液 压执行元件所需流量称为泵控系统 。负荷敏感 阀 5左 右侧的压差 系统补偿压差即是反馈信号 ， 负荷敏感 阀 5 、 变量缸 2 、 变量杠杆 9 、 辅助变量缸 1 0组成变量机 4 3 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 3年 第 O 9期 构 。 件 4为节 流子 时 。 这 种泵 控系统 力 士乐称 为 D F R控 制 系 统 件 4为 堵 头 时 ，这 种 泵 控 系 统 力 士 乐 称 为 D F R1 控制系统。这两种泵控系统下压降值 △ p是不一 样 的， 取多少合适现讨论之 1 件 4为堵 头 的 D F R1 泵 控系 统 阀 5的左端作用着泵的出口压力 P ， 右端作用着最 高负载压力 P 和弹簧力 F。阀 5的受力平衡方程为 p 。 l A 1 即 △ p 。 - p l F J A 2 式中△ p 系统补偿压差 ， P a ； p 为泵 出 口压力 ， P a ； P l m a 最高负载压力 ． P a ； A。 负荷敏感阀 5的作用面积 ， m ； 弹簧力 ， N。 当系统处于待机状态时 ． L S压力卸压接近于 0 ． 负 荷敏感 阀 5处于左位 。 由式 2 知泵的出口压力稍大于 F J A。 ， 使泵的排量减少至到维持变量柱塞泵 1的泄漏。 当比例换 向阀 8换向工作时 ． 最高负载压力通过 L S管 路作用于负荷敏感阀 5的右端 。 阀芯从左位移至右位 ， 变量缸 2大腔的液压油回油箱 ．使泵的排量随时满足 液压系统所需流量。 现我们分析系统补偿压差 值多 少合适 △ q O tT． h 盟 3 根据公式 3 可知 油泵 的泄漏量与压力有关 ， 与 转 速 、 排 量变 化无 关 。 式 中 A q 液压 马达 泄漏 量 ， m 。 s ～ 泄漏间隙。 m △ p 油泵 压力 ， P a ； M 液压油动力粘度 。 P a s 。 当系统处 于待机状态 时 ， 由公 式 3 可知 △ p值 小 ， △ q小 ， 则变量泵待机浪费的功率就越小 ， 且与 △ p ‘ 成正 比例关系。从节能方面讲越小越有利 ， 但 △ p小于 某值会导致 比例换 向阀 8换向后执行元件不能连续工 作 ， 而为断断续续工作 。现分析之 压力补偿阀 6和比例换 向阀 8组合成调速阀 ， 则 之间压差 △ p I MP a ， 负荷敏感阀 5的受力平衡方程 由式 1 、 2 可化为 P lm x 1 A lA 4 A A p A 5 当补偿压差 A p 4． 为细长孔 ， 根据细长孔压 力流量公式 6 可 以计算出P 。 l4 g a ‘ p 6 g 面 0 式 中 节 流子 直径 ． m Z 节流 子长 度 ， m ， l 一液压油动力粘度 ， P a S ； △ p 节 流子 压力 损失 ， P a 。 节流子 4的液压油 回到油箱 ．可以认为背压为 0 ． 由公式 6 分别建立节流子 4 、 7的压力流量式 ’ 4 g 7 g y I 4 q 7_P 一 一 卸 8 q 画 l一 y 一 Ls L 为了方便计算 ， 取 f 与 f ， 相等 ， 根据流量相等原则 ， 联解式 7 、 8 得 p 9 生 1 4 ● 变量泵有两种情况下开始变量 ．它们所需的系统 补偿压差 △ p F J A 值也不一样 1 执行元件停止运动建立高压时变量泵变量 ， 如 高空作业车的水平支腿液压缸 ，运动过程 中压力只需 3 MP a左右 ， 运动到位后液压缸建立高压 ， 这时流体经 过比例换 向阀 8的流量很小 ， 补偿泄漏量 ， 故 P h 与 P 。 相等 ， 根据式 1 、 2 、 9 得 pl A 。印 A Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 0 9 ． 2 0 1 3 p。 一 4 d4 1 d 4 P l m 丁 x T_ d 7 A p L s 1 O d 4 d 7 2 执行元件高压运动过程变量泵未变量 ， 如高空 作业 车 的卷 扬 马达 缸 ，故 P p _- p l 一 十 △ p 6 ． ， △ p 6 ． 。 一 般 为 1 MP a ， 根 据式 1 、 2 、 9 得 须的， 作用有 2 点 ①保证流体 P到 A ／ B的流量稳定 ； ⑦ 流体溢流压力小于系统压力 ， 节能。如图 2中 2个 比 例换 向阀 2节 流工作时 系统流量 大于所需流 量之 和 ．则只有负载高的比例换 向阀 2前后压差为定值 1 MP a ． 即流体 P到 A ／ B的流量稳定 ． 负载小的比例换 向 阀 2前后压差就产生了变化 ．故流体 P到 A ／ B的流量 就变化 了 如要求 2个 比例换向阀 2同时工作 ． 各 自流 量不随负载变化而变化 ．则单 向阀 3应更换为 图 1的 压力补偿阀 6 【 l 1 气 ⋯ 式 中 一流 量 一 2 一 般 I J s管路流量为 3 L ／ mi n ．现 以 L S管路通径为 6 mm， 长度为 l O m， 取 0 ． 7 m m， d 4 取 0 ． 4 mm为例分析系 统补偿压差 △ p 值 ， 计算得 △ p 。 s 0 ． 6 5 MP a 略 。 如果 系统压力 P 要达 到 2 2 MP a ， 根据式 1 O ， 则 △ p应 为 2 ． 6 6 MP a ， 当 为标 准 出厂 设 定 1 ． 4 MP a时 ， 系 统压 力 只能达 到 9 MP a ； 根 据式 1 1 ， 则 △ p应 为 3 ． 6 6 MP a ， 当 △ p为标准 出厂设定 1 ． 4 MP a时 ， 如 1 节分析 那样 ， 执行元件断断续续工作且系统压力只能达到 9 MP a 。 1 ． 2阀控 系统 图 2为 阀控 系统 原 理 图 1 一 定值溢流阀2 一 比例换 向阀 图 2阀控 系统原理 图 液压 阀通过反馈信号作用于变量机构 随时满足液 压执行元件所需流量称为阀控系统 L S压力与油泵 出 油 口之间压差 △ p即是反馈信号 ， 其值为定值溢流 阀 1 的弹簧产生 的压力值 ， 一般取 1 MP a 定值溢流 阀 1的 阀芯 即是 变量 机 构 比例换 向阀 2节流工作时 ．阀 2的 P口与 A ／ B口 压 差等于定 值溢流 阀 1的弹簧产生压 力值 ．一般取 1 MP a ， 根据滑阀通过阀口流量公式 1 2 可知 ， 流体 P到 A ／ B的流量 p不 随负载压力 的变化而变化 ，系统多余 的流体从定值溢流阀 1溢流 ．溢流压力 为负载压力加 上 1 MP a 压力之和 分析可知定值溢流阀 1的压差是必 A 阀 口通流 面积 ， m 2 ； △ p 阀口先后压差 ， P a ； p 流体密度 ， k g ／ m 。 1 ． 3 先导 压 力控 制 1 换 向阀先导压力控制 液压元件为先导控制 的元件 ． 如先导压力无或未达 到某值 。 则不能工作 。 如图 3所示的原理图 。 如无节流片 3 ． 电液换 向阀 1 得电后主阀4很有可能不换向工作。 A R 1 一 电液 换 向 阀2 一 先 导 电 磁 换 向 阀3 一 节 流 片4 一 主 阀 图 3电 液换 向 阀先 导 压 力控 制 原 理 图 油泵输出的压力油经中位机能为 G型的主阀 4的 P 、 T油路 回油箱 ， 这时油泵处于卸荷状态 ． 卸荷压力 P 为压力油经过主阀 4产生的压力损失 。如在主阀 4 与油路块之间没有插装节流片 3 ． 当先导电磁换 向阀 2 得 电换 向后 输 出 的压力 油 处 于卸 荷状 态 ， △ p 无 法 足 以 克服主阀 4的弹簧力 ．则主阀 4阀芯还是处于中位状 态 ； 当 △ p 足以克服主阀 4的弹簧力 ， 主阀 4阀芯就处 于换 向工作状态 ． 此工况就可以不需节流片 3 综上所 述 节流片 3的作用就是保证泵输 出的压力油有一定 的压差 回油箱 ． 这个压差要足 以克服主阀 4的弹簧力 。 电液换 向阀随品牌 、 规格不同 。 弹簧力也不 同 ． 但样本 上都有介绍 选择节流片 3须根据弹簧力与系统流量 来决定。图 4为节流片装配示意图。通径为 1 6 、 2 5 、 3 2 的 电液 换 向阀对 应 的 D 为 1 3 、 1 6 、 3 0 ram， d可 以 按公式 1 2 计算 ， 公式 1 2 中的 C按表 1 选取。 4 5 液 压 气 动 与 i i g -ea - ／ 2 0 1 3年 第 0 9期 图 4节流片装配示意 图 表 1 C与 的关系 d ／ D 0 0 ． 2 5 0 ． 5 0 ． 7 5 1 C 0 ． 6 1 2 O ． 6 4 4 0 ． 6 9 1 0 ． 7 5 7 1 现以系统流量为 9 0 L ／ m i n ．选用华德 1 6通径电液 换 向阀为例计算 分析 d 查样本 知最低 控制压 力为 1 ． 4 MP a ， △ p 0 ． 2 MP a ， 带入公式 1 2 得 S I U c A 、 ／ 2 1 4 0 2 1 0 6 ／ 8 5 0 5 7- 3 4C A 0． 001 5 d从 6 m m起开始计算得 d 7 ． 2 mm满足需要 。 如系统流量为 2 3 0 L ／ m i n ． 仍选用华德 1 6通径电液 换向阀 ， 查样本知 △ p T I ． 5 MP a ， 则此液压系统就不需再 加装节流片 3 2 电液多路换 向阀先导压力控制 图 5所示为电液多路换向阀液压原理图 ． 单向阀 5 的作用也是提供一定的压差 ． 一般为 1 ． 5 MP a ． 使先导电 磁换 向阀 2得 电后产生一定 的压力供液压缸 3推动主 阀 4换 向工作 单向阀 5与图 3的节流片 3的作用一 样 ． 但从液压原理上分析可知 ， 图 3的电液换 向阀 1 工 作后 ． 节流片还是有一定的压力损失 ， 而图 5的单向阀 5就不一样 ． 主阀 4工作后在单 向阀 5就没有压力损失 了． 因液压油不经过单 向阀 5 。 而经过主阀 4的 T口达 到 电液多路换向阀的 T口． 故图 5比图 3节能。 A B A B 1 一 减 压溢流阀2 一 先导电磁换向阀3 一 液压缸4 一 主阀5 一 单 向阀 图 5 电液多路换向阀液压原理图 图 3和图 5的压差都是 在油泵 的出油 口处 产生 的． 它们 的目的都是提供一定的先导压力使主阀换 向。 46 3 二通常开插装阀先导压力控制 图 6为某发泡机液压原理图．要求柱塞缸 4下降 速度大于 4 m ／ s ．故用二通常开插装阀 5来给柱塞缸 4 回油用 。节流子 2的作用是 柱塞缸 4上行 时． 二通常 开插装 阀 5的控制油路产生一定的压力使 阀芯克服弹 簧力与阀座密封 ． 如无节流子 2 ． 流体达到柱塞缸腔体 时同时达到二通常开插装 阀 5 ，控制油路无压力产生． 则流体经过二通常开插装阀 5回油箱 ．柱塞缸 4无法 上 行 。 P l l l2 lj l 一 电磁换 向阀 2 一 节流子 3 一 节流子4 一 柱 塞缸 5 - - - 通 常开插装 阀6 - --通常 闭插装 阀7 一 电磁止 回阀 图 6某发 泡机液压原理图 二通常开插装阀 5更换成二通常闭插装 阀 6 ． 则无 需节流子 2就能满足发泡机运动动作 但相同压力下 常开插装 阀与大一规格常闭插装 阀流量大致相等 ． 故 用常开插装阀节省空间及成本 1 ． 4调速 节 流 阀与 调速 阀都 能调 节机 构 运动 速度 ．属 于 流 量控制 阀范畴． 但它们的应用场合是不一样的 节流阀 只能应用于对流量要求不严格 、 负载变化不大 的场合 调速阀则完全可 以应用于流量要求严格 、负载变化大 的场合 图 7为节流阀、 调速阀流量压力 曲线 图。 充分 反映了负载压力 P对节流阀流量十分灵敏．而对调速 阀流量影响极小 ． 只有 2 ％左右。调速阀具有这一优势 得益于其 中的定差减压 阀． 如图 8所示 ． 节流阀 2前后 压差恒定 。 根据公式 1 2 知流量不随负载 、 进油压力变 化而变化 ． 只与节流阀的通流面积 、 定差减压 阀的弹簧 力 有关 系 曼 暑 删 图 7节流阀、 调速 阀 流量压力 曲线比较 1 一 减压阀2 一 节流阀 图 8调速阀液压原 理图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 0 1 3 图 7中 ， △ p m i 为阀的进出 口压差 ， 并非节流 口的进 出 口压 差 1 ． 5机 构运 动 平稳 1 消除机构超速下降 白重及负载导致机构在运动过程中超速下降的场 合 ． 可以在此 回路 的出 I 1 加装一个单 向节流阀 、 节流子 或平衡 阀． 建立一定的压差来平衡 自重及负载。如我公 司的压缩式垃圾车填装器举升回路。 2 消 除机 构爬 行 机 构 常需 要 以很 低 的速 度移 动 或 转 动 ， 此 时 ， 往往 会 出现明显的速度不均 ． 出现断续的时动时停 。 一快一 慢 ． 一跳一停 的现象 ， 这种现象称为爬行 ， 即低 速平稳 性 的问题 消除爬行一般采取在液压 回路的出 口加装 单 向节流阀这种简单有效方法 ． 建立一定 的压差 ． 提高 液压刚度 K值来补偿负载及摩擦力变化对机构运动速 度平 稳性 的影 响 3 消除机构前冲 在液压冲孑 L 机上也常常使用背压 阀提供压差来减 弱滑 台前冲现象 ． 滑台在冲孑 L 时， 液压缸无杆 腔油液压 力很高 ， 油液中储 积了大量 的能量 ， 当负载突然消失 ， 该腔油压随之迅速降低 ．油液从高压态转入低压态 的 过程中向系统释放大量能量 ， 致使滑 台前冲 。 背压 阀的 设置虽然消耗系统 中的一部分能量 ．但对滑台的前冲 能起一定的抑制作用 ． 尤其使用 自调式背压 阀时 ． 在整 个的工作过程中 ．根据不同的工况还可对背压力进行 自行 调 整 1 ． 6机构 同步运 动 同步精度要求不高的场合可以选用节流阀与调速 阀， 但两者使用方法不同 ①一般节流阀加装在回路的 出 I 1 。 使 回路建立一定 的压差来平衡负载不均 ． 如我公 司的高空作业 车支腿 回路就加装了单 向节流阀 ②一 般调速阀加装在 回路的进 口． 如 1 ． 4节所述调速阀对压 差不敏感 。 故可直接调节每组 回路 的流量 。 2 有益的压降应用注意事项 综上所述 ．运用有益压降的液压系统须遵循 以下 几个 原则 1 压降值 的调节 压降值 △ p须调节得合理 ， 以满足液压系统顺畅工 作为原则 ， 不能调节得过大。否则导致液压系统能量损 失大 、 发热严重。 2 系 统 流量 、 压 力 系统流量大 、压力小于 I O MP a的场合建议不要运 用有益压 降的液压系统 。因压降导致浪费的功率相比 于总功率的比值大 。 发热严重。 故液压有效效率低。 3 待机时间、 工作时间 待机 时间长 、工作时间短的场合运用有益压降的 阀控 、 先导压力控制液压系统 ． 建议在油泵出油 I 1 加装 一 个规格 、 型号合适 的电磁 液 换向阀或电磁止回阀， 待机时油泵的油经过它们卸荷 。卸荷压力仅有 0 ． 2 MP a 左右 ． 远小于有益压降最低值。 4 D F R与 D F R1 因节流子 4 见图 1 的作用 ， D F R相对于 D F R 1具 有延时换向功能． 故能极大地减小换向冲击 ． 但 D F R的 补偿 压差 △ p比 D F R 1大 ， 即待机浪费的功率要大。故 建议 L s管路长、 连续工作的场合应用 D F R1 控制系统 注意 这两种泵控系统不能有卸荷 回路 。 否则设备待机 时 ． 泵不能 回到零偏角附近运转 ． 空运转节能的优点就 没有 了 。 5 调速 阀规格 、 型号 、 定值压差值 选择调速阀时要注意 3个问题 ①调速阀的流量 与系统流量要匹配 ． 如调速阀规格选大了． 节流阀前后 压差小于减压阀定值压差 ．则减压 阀的阀芯在弹簧力 作用下 ． 减压阀的开度最大 ． 不能起到稳定节流阀先后 压差的作用 。 因此调速阀的性能如 同节流阀． 这种情况 下调节手柄须调节到某一位置 ．节流 阀前后压差大于 减压阀定值压差后 ， 流量才随手柄调节变化而变化 ② 对执 行元件 运动平稳性要 求高 的系统应注 意启动 冲 击 ．须选用带外部可关闭压力补偿器 的调速 阀 参看 R e x r o t h样本 。 传统的二通调速未进人工作状态时减压 阀阀 口全开 ， 系统启 动时 。 节流阀 口压差过大 ． 引起启 动流量剧增， 形成启动冲击 ； ③定值压差值要适中， 否 则如 1 小节所讲 ， 导致液压有效效率低 。建议高压 、 小 流量的液压系统选用定值压差为 1 MP a左右的调速 阀 低压 、 大流量的液压系统选用定值压差为 0 ． 5 MP a左右 的调速 阀 参 考 文 献 【 1 ] 邓江涛， 杨 发虎． P V G 3 2多路 阀之应 用【 J J ． 工程 机械， 2 0 1 2 ， 9 5 6 - 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