基于F型π桥液阻网络的平衡阀特性研究.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０２６ 收稿日期 ２０１５－０３－１０ 作者简介 张平格 （１９６４）， 女， 教授， 硕士生导师， 主要从事液压控制方向的科研和教学工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｍｅｎｇｘｉａｏｙａｎｚｉ ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于 Ｆ 型 π 桥液阻网络的平衡阀特性研究 张平格１， 孟艳艳１， 黄京汉２ （１． 河北工程大学机电学院， 河北邯郸 ０５６０３８； ２． 新兴管业有限公司， 河北邯郸 ０５６０３８） 摘要 针对布赫平衡阀的下降工况存在的过阻尼补偿问题， 将 Ｆ 型 π 桥液阻网络应用于平衡阀的先导阻尼网络， 改进 了平衡阀的先导液阻网络， 使平衡阀主阀芯的开口度与负载的大小相适宜， 从而有效防止重物下降时的超速下滑和抖动现 象。 并对 π 桥液阻网络平衡阀的下降工况进行了仿真， 得出 Ｆ 型 π 桥液阻网络可以很好的克服过补偿阻尼的不足。 关键字 平衡阀； 特性仿真； Ｆ 型 π 桥液阻网络 中图分类号 ＴＨ１３６ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０８０－３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｂａｌａｎｃｅ Ｖａｌｖｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆ Ｔｙｐｅ π⁃Ｂｒｉｄｇｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＺＨＡＮＧ Ｐｉｎｇｇｅ１， ＭＥＮＧ Ｙａｎｙａｎ１， ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎｇｈａｎ２ （１． Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈａｎｄａｎ Ｈｅｂｅｉ ０５６０３８， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｘｉｎｘｉｎｇ Ｐｉｐｅｓ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈａｎｄａｎ Ｈｅｂｅｉ ０５６０３８， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｈｅｎ ｂｕｃｈｅｒ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｖｅ ｄｒｏｐｓ， ｉｔ ｈａｓ ａ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｏｖｅｒ ｄａｍｐｅｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ． Ａｐｐｌｙｉｎｇ Ｆ ｔｙｐｅ π⁃ｂｒｉｄｇｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｖｅｓ ｐｉｌｏｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｉｌｏｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｖｅ． Ｉｔ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｐｏｏｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ． Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄｉｎｇ ｄｅｃｌｉｎｅ ａｎｄ ｊｉｔｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｅ⁃ ｖｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅ ｄｒｏｐ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ π⁃ｂｒｉｄｇｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈａｔ Ｆ ｔｙｐｅ π⁃ ｂｒｉｄｇｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｎ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｏｖｅｒ ｄａｍｐｅｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｂａｌａｎｃｅ ｖａｌｖｅ； Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｆ ｔｙｐｅ π⁃ｂｒｉｄｇｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ 平衡阀主要用于限制重物下降产生的超速运动， 尤其是起重机、 正面吊、 水泥混凝土泵车等臂架类工 程机械和大吨位叉车， 也可用于液压卷扬以平衡超越 负载。 在重物下降时， 先导控制油进入平衡阀先导油 腔推开平衡阀， 使液压油通过平衡阀阻尼口， 从而实 现重物的下降。 文中针对布赫平衡阀的下降工况存在 的过阻尼补偿问题， 将 Ｆ 型 π 桥液阻网络应用于平 衡阀的先导阻尼网络， 使平衡阀主阀芯的开口度与负 载的大小相适宜， 从而有效防止重物下降时的超速下 滑和抖动现象。 １ 平衡阀的下降工况工作原理分析 图 １ 所示为瑞士布赫公司生产的平衡阀结构示 意图。 图 １ 平衡阀结构示意图 来自先导控制部分的外力作用使推杆向右移动， 接触到先导阀后推动先导阀向右移动。 关闭 Ｂ 腔通 往弹簧腔的节流通道， 使弹簧腔变为封闭状态； 打开 弹簧腔通往 Ａ 腔的通道， 使密闭在弹簧腔内的油进 入 Ａ 腔。 来自先导控制部分的外力与弹簧力平衡后 先导阀芯稳定在某一位置。 密闭在弹簧腔内的油泄入 Ａ 腔后， 压力开始下降， 压力降到 ３０％左右时， 由于 主阀芯右端面积大左端面积小， 因此在 Ｂ 腔压力作 用下主阀芯向右移动打开 Ｂ－Ａ 通道， Ｂ 腔的油流入 Ａ 腔。 与此同时， Ｂ 腔的油也通过主阀芯大端纵向切 口槽进入弹簧腔， 并且这个起节流作用的切口槽随着 主阀芯位移的增大其阻尼作用逐步减小。 为了实现平衡调速功能， 并使执行机构保持恒速 运动， 当主阀芯移动到与先导阀芯纵向切口槽平齐 时， 将关闭弹簧腔至 Ａ 腔的通道。 Ａ 腔通道入口的 实际形状为一个三角形的切口槽， 其切口深度比那个 长条形的切口还要浅一些。 这个三角形切口槽随着主 阀芯的右移节流面积逐渐减小、 节流阻力逐渐增大， 直至使主阀芯逐渐停止运动， 减缓回路液压冲击。 ２ 平衡阀的先导液阻网络的改进 当重物下降时， 推杆推动先导阀芯右移到某一位 置， 先导阀芯纵向切口槽与主阀芯形成一节流槽， 打 开弹簧腔至 Ａ 腔的通道， 弹簧腔泄压， 主阀芯右移， 液压油从 Ｂ 腔流向 Ａ 腔。 负载越大， 平衡阀 Ｂ 腔的 压力越高， 因而平衡阀弹簧腔的压力也较高。 为使先 导推杆和先导阀芯处于平衡状态， 推杆和先导阀芯向 右的位移也越大， 先导阀芯的纵向切口槽与主阀芯形 成的节流口的通流面积越大， 负载下降的速度越快， 反之越慢。 造成这种现象的根本原因是半桥液阻网络 的结构。 由半桥液阻网络的结构特点可知， 半桥液阻 网络只有一个输出控制口， 只能控制单作用液压缸， 调整过补偿阻尼孔的大小可以使执行元件的下降速度 得到有效控制， 甚至可以使下降速度比正常值还小。 图 ２ 所示为过补偿阻尼对下降速度的影响， 过补 偿液阻越大， 且当压力到达一定值后继续增大时， 由 Ｂ 口到 Ａ 口通过平衡阀的流量反而减小。 由此可见， 过补偿阻尼孔的大小对重物的下降速度有显著的影 响。 由于阻尼孔的直径较小， 且该阻尼位于液压起升 图 ２ 阻尼对下降 速度的影响 回路的主油路上， 导致 该阻尼孔易受油液污染 的影响， 从而使重物下 降发生抖动、 速度不稳 等现象， 同时也限制了 平衡阀的通用性。 为了 克服这种现象， 可选用 具有 ２ 个输出控制口的 π 桥液阻网络来控制推杆双向运动， 从而使先导阀芯 随负载压力保持在某一位置。 ３ π 桥液阻网络控制液压缸的特性 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制对称液压缸被控液压缸为 双出杆式， 且液压缸左右两腔的有效作用面积相等， 忽略油液的泄漏和可压缩性， 进入液压缸左腔的流量 ｑｖ１与液压缸右腔的输出流量 ｑｖ２相等， 即 ｑｖ１ ＝ ｑ ｖ２ ＝ｑ ｖＬ （ｑｖＬ为负载流量）。 对于 Ｆ 型 π 桥液阻网络， 稳态时 方程为 ｑｖ１ ＝ｑ １ －ｑ ２， ｑｖ２ ＝ｑ ３ －ｑ ２， 可得 ｑ１ ＝ｑ ３。 设可变液阻的压力流量方程为 ｑ＝ｂ（ｙ０ ＋ｙ） Δｐ（１） 式中 ｑ 表示通过可变液阻的流量； ｂ 表示综合流量 系数， ｂ＝αω２／ ρ； α 表示可变液阻 Ｒ 的流量系数； ρ 表示流体密度； ω 表示液阻 Ｒ 的周向开口量； ｙ０表 示可变液阻轴向预开口量； ｙ 表示可变液阻阀芯轴向 位移量； Δｐ 表示可变液阻两端的压差。 设 ２ 个固定液阻具有相同的结构， 其流量压力方 程为 ｑｖ ＝ｃ Δｐ（２） 式中 ｃ 表示固定液阻的液导， 且 ｃ＝ｂｙ０； Δｐ 表示固 定液阻两端的压差。 Ｆ 型 π 桥液阻网络的 Ｒ２为可变液阻， Ｒ１和 Ｒ３是 固定液阻。 ３ 个液阻的流量压力方程为 ｑ１ ＝ｃ ｐ１ －ｐ ２ （３） ｑ２＝ｂ（ｙ０ ＋ｙ） ｐ２ －ｐ ３ （４） ｑ３ ＝ｃ ｐ３（５） 由前述可知 ｑ１ ＝ｑ ３， 经整理得 ｐ１ －ｐ ２ ＝ｐ ３。 供油压力 ｐ１恒定， 负载流量为 ０ 时， 液压缸两 控制口的压力与阀芯的位移关系称为压力增益特性， 表示为 ｐ２＝ｆ（ｙ） ｜ｑｖ１＝０ 和 ｐ３＝ｆ（ｙ） ｜ｑｖ２＝ ０。 压力增益 特性曲线的曲率反映压力 ｐ２和 ｐ３随 ｙ 变化的灵敏度。 由以上各式可得 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制液压缸 ２ 个油口的流量压力方程 ｑｖ１ ＝ｂｙ ０ ｐ１ －ｐ ２－ｂ（ｙ０ ＋ｙ） ２ｐ２ －ｐ １ （６） ｑｖ２ ＝ｂｙ ０ ｐ３－ｂ（ｙ０ ＋ｙ） ｐ１ －２ｐ ３ （７） 对以上两式分别求偏导数， 为兼顾系统的控制性 能和效率， 取 ｐ２ ＝ ２ｐ １／３， ｐ３ ＝ ｐ １／３。 分别设 ｑｖ１＝ ０ 和 ｑｖ２＝０， ｙ＝０ 代入以上两式得 ｅ１＝ ２ ９ ｐ１ ｙ０ ｅ２＝－ ２ ９ ｐ１ ｙ０ 由此可知， 采用 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制平衡阀 的先导推杆， 其 ２ 个控制油口的压力 ｐ２和 ｐ３的变化方 向相反， 满足负载压力越大先导阀芯的位移反而越 小， 实现了过补偿阻尼的过补偿特性。 １８第 ８ 期张平格 等 基于 Ｆ 型 π 桥液阻网络的平衡阀特性研究 ４ 基于 π 桥液阻网络平衡阀的下降工况仿真 采用 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制的平衡阀液压起升 系统， 当重物处于下降工况时， 换向阀处于左位。 其 输入信号如图 ３ 所示。 分别对 Ｆ 型 π 桥液阻网络控 制的平衡阀起升系统和半桥液阻网络控制的平衡阀起 升系统的下降工况进行仿真， 仿真结果如图 ４ 和图 ５ 所示。 图 ３ 换向阀的输入信号 图 ４ 负载的下降速度 图 ５ 负载的下降位移 可知 采用 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制的平衡阀起 升系统和半桥液阻网络控制的平衡阀起升系统， 在下 降工况时， 其速度位移曲线相差不大， 因此， Ｆ 型 π 桥液阻网络可以很好地克服过补偿阻尼的不足。 ５ 结论 详细介绍了布赫平衡阀的工作原理， 将 Ｆ 型 π 桥液阻网络应用于平衡阀的先导控制端， 并对 Ｆ 型 π 桥液阻网络进行改进。 最后对 Ｆ 型 π 桥液阻网络控 制的平衡阀起升系统的下降工况进行仿真， 仿真结果 表明 Ｆ 型 π 桥液阻网络可以很好地克服过补偿阻尼 的不足。 参考文献 ［１］ 朱小明．单向顺序阀和平衡阀的区别 兼对平衡阀 和双向液压锁的正确选用一文的异议［Ｊ］．建筑机械， ２００７（１１）８８－８９，９５． ［２］ 胡燕平．液阻网络系统学［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２００３． ［３］ 吴琼．中小吨位汽车起重机液压工作回路仿真及实验研 究［Ｄ］．沈阳沈阳建筑大学，２０１１． ［４］ 李壮云．液压元件与系统［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２０１１． ［５］ 付永领，齐海涛．ＬＭＳ Ｉｍａｇｉｎｅ．Ｌａｂ ＡＭＥＳｉｍ 系统建模和 仿真实例教程［Ｍ］．北京北京航空航天大学出版社， ２０１１． ［６］ ＨＵ Ｙ，ＨＵＡＮＧ Ｚ，ＬＩＵ Ｄ，ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ Ｇ⁃π Ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｌｉｅｆ Ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ Ｚｅｒｏ Ｏｖｅｒｒｉｄｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４（３）４６３－４６５． （上接第 ７９ 页） 图 ４ 不同液压先导作用面 积下变速压力变化 通过仿真发现， 影响 电控变速系统压力变化的 主要因素为变速阀主阀芯 一端所受先导力与离合器 反馈压力作用面积比。 图 ４ 为先导压力侧不同主阀 芯 小 径 条 件 下 仿 真 效 果图。 通过仿真结果可以看 出， 先导侧主阀芯小径不同， 变速离合器压力变化趋 势变化不大， 但压力变化初始位置不同。 表现为先导 侧主阀小径越大， 压力变化初始位置相应滞后。 原因分析 变速阀先导侧主阀芯大径一定时， 小 径越大， 主阀芯空腔越大， 液压先导力作用面积相应 变小， 主阀芯移动则需要更大的液压先导力， 而液压 先导力的建立是随着时间的增加而增加的， 故变速离 合器内压力变化过程相应滞后。 先导侧主阀芯小径的增大是有一定限度的， 其极 限值为 先导侧主阀小径增加使先导压力达到系统设 定压力。 ３ 结论 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 仿真结果表明 该仿真模型能较真实 地反映电控变速系统变速压力变化， 通过对电控变速 阀系列参数的设置及优化， 为电控变速系统设计提供 了数据支持。 文中所述电控变速系统压力变化与理论 要求基本一致， 符合设计要求。 参考文献 ［１］ 张利平．液压阀原理、使用与维护［Ｍ］．北京化学工业 出版社，２００５． ［２］ 刘艳芳．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 精解与实例［Ｍ］．北京机械工业出 版社，２０１０． ［３］ 田小燕，刘海兵，徐诗辉，等．车辆冷却风扇电液比例液 压系统分析及试验研究［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（２） ７０－７１． ［４］ 路华鹏，马彪， 陈漫，等．军用车辆静液压驱动冷却风扇 系统设计［Ｊ］．液压与气动，２００７（５）２２－２４． ［５］ 吴阳，秦四成，张学林，等．装载机冷却风扇液压驱动特 性分析［Ｊ］．建筑机械，２０１３（１２）６７－７１． ［６］ 姜友山，金轲，韦海云．混合动力推土机功率匹配控制研 究［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（４）８７－８８． ［７］ 赵大兴，杨勇，许万，等．基于 ＡＤＡＭＳ 和 ＭＡＴＬＡＢ 数控 机床进给驱动系统的机电联合仿真［Ｊ］．机床与液压， ２０１４，４２（１０）２８－３１． ［８］ 李光飞，刘桓龙，邓斌，等．液动力对锥阀振动特性的影 响［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（５）２８－３０． ２８机床与液压第 ４４ 卷