浙江中特气动阀门成套有限公司
 液压比例控制阀性能改进分析与研究

摘 要:液压比例控制阀作为液压系统的重要组成部分,可对液压系统的流量、压力和方向进行精准控制。传统液压比例控制阀流量 控制方式为进液节流和回液节流相结合,该控制方法易在执行元件形成真空,影响系统控制性能。为此提出了液压比例阀的流量改进控制方法,即仅对进液节流或回液节流进行控制。通过仿真对改进方案的可行性进行了仿真论证,仿真结果表明改进的液压比例控制阀具有更好的比例控制性能。

关键字:比例阀 进液节流 回液节流 单向负载 阻性负载


0 前言

直控电液比例控制阀结构如图1所示。通过对比例电磁铁电信号的控制实现油液流量和方向的控制。比例电磁铁将电能转换为机械力,衔铁带动柱塞在电磁力和弹簧弹力的作用下移动。

图1 比例控制阀结构图

通过外部压力补偿器可限制比例阀的压降,比例阀阀芯对进液和回液可有效分配。近年来,国内外研究者对比例控制阀在液压控制系统中的应用进行了大量研究,该研究在一定程度上提高了控制系统的使用性能。为了进一步优化液压控制系统,本文对液压比例控制阀进行了改进,进一步提高了其使用性能。

1 理论背景

文中主要对两种典型比例阀进行研究,阀芯面积比分别为2:1和1:1,且分别应用于超越负载和阻性负载。比例阀和液压缸的连接油路如图2所示。

图2 比例方向阀与液压缸连接油路图

1.1 超越负载

系统中液压缸活塞面积比为2:1,为了使系统具有理想的控制效果,阀芯面积比也需为2:1。本文通过数学方法进行分析研究。

液压比例控制阀可进液节流和回液节流,流经油孔的流量为:

    (1)

式中Q——流量,L/min;

C——流量系数;

A——油孔面积,mm2

Δp——油孔前后压力降,MPa。

由上式可知,对于超越负载,如图3所示。Δp1和Δp2需要进一步计算。

图3 超越负载压降计算图

2:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸控制系统中油孔分析如图4所示。

图4 油孔分析图

由于液压阀阀芯面积比为2:1,所以

由图4可知:

将上式化简可得:

因此

Δp2≈Δp1   (2)

由此可知,比例阀的进液口和回液口的压差降近似相等,即2:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸具有较好的控制性能。在1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸控制系统中

因此,

    (3)

由计算推导可知,当1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸进行控制时,Δp1=4Δp2。此时活塞杆所需系统背压必须大于系统压力的1/4,否则液压缸内腔将产生真空。为了增加研究的直观性,假设液压缸加载400kg的超越负载,1:1阀芯面积比液压阀对2:1活塞面积比液压缸的控制图如图5所示。

图5 超越负载系统图

根据系统所受合力,计算p3

p3=(p2A1+F)/A2    (4)

由此可知

p1=pp-p2

p2=p3-p4

设p4=0,则

p2=p3    (5)

由于阀芯面积比为1:1,将上式推导可得

因此

替代

求解p2得:

    (6)

带入参数F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=10cm2,Q=100L/min。解得:

p2=-0.66MPa

由于p2<0,低于0大气压力,液压缸内部有真空产生。

Δp1=pp-p2

解得,p1=10.67MPa。

由于p1的最大值为10MPa。所以

Δp2=Δp1/4=2.5MPa

由此可知,液压缸A2腔的压降不足以克服真空的产生,A2腔需要更小的油孔以形成较大的背压。

在相同条件下,对于2:1面积比阀芯

因此

经替代可得

因此

    (7)

解得p2=2.66MPa。此时,液压缸A2腔无真空产生。因此

由于Δp2=p3,且p3=9.32MPa为已知,所以Δp2=13.7MPa,Δpt=23.02MPa。由此可知,以2:1阀芯面积比液压阀控制2:1柱塞面积比液压缸可避免液压缸真空的产生,通过液压阀的总压降为23.02MPa。当液压阀电磁铁的控制电流为额定电流的70%时,液压阀的总压降为10MPa,如图6所示。

图6 液压阀性能曲线图

1.2 阻性负载

在阻性负载下,2:1和1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸的控制系统图如图7所示。

图7 阻性系统

在阻性负载作用下:

对于1:1阀芯面积比液压阀

假设p4=0,则

因此

    (8)

对于2:1阀芯面积比液压阀

对于2:1阀芯面积比液压阀带入参数可得p3=8.05MPa。

由于    Δp2=p3=8.05MPa

且    p2=[p3∙A2+F]/A1=60.25

所以    Δp1=pp-p2=3.975MPa      Δpt=Δp1+Δp2=12.025MPa

由此可知,经过液压阀的总压降为12.025MPa,为了实现液压阀在最大行程处获得该压降,需由液压阀性能曲线中选择适当阀芯。

1.3 液压缸进液节流和回液节流

在实际应用中,当负载为阻性负载时,液压缸进液节流如图8所示。

由图8可知

p1=p3∙A2/A1+F/A1

pp>p1

当系统负载为超越负载时,其系统简图如图9所示。

图8 进液节流

图9 回液节流

2 控制方案改进

传统比例控制阀具有进液节流和回液节流两种控制方式,该控制方式液压阀具有较大的压差[7]。为了降低液压阀压降差,提高其使用性能,本文对比例液压阀进行改进,改进后的比例阀具有进液节流或回液节流一种控制方式。改进的比例阀在进液油路和回液油路增加两位三通先导式方向控制阀,如图10和图11所示。

图10 进液节流改进

图11 回液节流改进

3 改进仿真分析

本文通过仿真软件分别对改进前、后液压缸负载为超越负载和阻性负载时液压缸压力情况进行了仿真。设定的参数为F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=20cm2,Q=110L/min。图12和图13为改进前液压缸在阻性负载下液压缸两腔室压力变化曲线图。由图12可知,液压缸柱塞腔的压力为2.8MPa,液压阀的压降为7.2MPa;由图13可知,液压缸柱塞杆腔的压力为2MPa,液压阀的压降为9.2MPa。

图12 改进前柱塞腔

图13 改进前柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力

负载为超越负载时,改进前液压缸两腔室的压力曲线图如图14和图15所示。由图14可知,液压缸柱塞腔的压力为1.25MPa,液压阀的压降为8.75MPa;由图15可知,液压缸柱塞杆腔的压力为2.5MPa,液压阀的压降为11.25MPa。

图14 改进前柱塞腔

图15 改进前柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力

改进后液压缸活塞杆为阻性负载,控制方式为进液节流时,液压缸压力变化图如图16和图17所示。由图16可知,活塞腔的压力为2MPa,液压阀压降为2MPa;由图17可知,活塞杆腔的压力为0.03MPa。

改进后液压缸活塞杆所受负载为超越负载,控制方式为回液节流时,液压缸两腔室压力变化图如图18和图19所示。由图18可知,柱塞腔压力为9.8MPa,液压阀压降为0.2MPa。由图19可知,活塞杆腔的压力为14MPa,活塞杆腔无背压,需调节回液节流孔。

图16 改进后进液节流柱塞腔

图17 改进后进液节流柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力

图18 改进后回液节流柱塞腔

图19 改进后回液节流柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力

4 结论

传统比例阀流量控制方式为进液节流和回液节流两个方面,该控制方式液压阀具有较大压差降,耗能较大,且性能不理想。本文提出了液压比例阀的改进控制方式,即仅对进液节流或回液节流进行控制。文中通过仿真对改进方案的可行性进行了仿真论证,仿真结果表明改进的比例阀避免了液压缸真空的形成,提高了系统的工作性能,为新型液压阀的设计应用奠定了基础。

上海科力达阀门 青岛山野执行器
  • QQ 102996729(广告)    516582236(媒体)    热线:联系方式
  • tj88.cn ICP 51012402000262
广告招商