負荷傳感出口壓力補償回路的阻尼特性研究

羅艷蕾 陳倫軍

貴州大學，貴陽，550025

0 引言

目前較為先進的工程機械液壓系統都采用了負荷傳感（load sensing）與壓力補償技術［1］。負荷傳感壓力補償多路閥是隨著液壓技術的發展而出現的一種新型液壓元件，它由普通多路閥與壓力補償閥等液壓元件集成，當壓力補償閥設置在多路閥的出口油路中，它具有一些獨特的特性［2－4］：能根據負載大小對負荷傳感泵進行控制，實現按需供液；能實現單液壓泵驅動多執行機構的復合動作，液壓系統簡單，并能使同時工作的幾個執行元件在運動時互不干擾；在復合操作時，能實現與負載無關的流量分配，即各工作回路的速度不受負載變化的影響；負載波動大時，由于具有壓力補償作用，可消除因液動力變化造成的主閥芯上作用力的變化等。因此負荷傳感壓力補償多路閥組成的液壓系統可以實現液壓系統流量、壓力以及功率的匹配控制，使系統具有良好的節能特性和操控特性。正是由于它具有的這些獨特特性，國外將其廣泛應用于挖掘機、起重機、裝載機等機械中，特別是由于它可以采用單泵源供油實現多執行機構的復合動作，在工程機械、公路機械、農業機械中也具有良好的應用前景。

當復合動作的多回路負載壓力不同或壓力發生變化時，在小負載回路中的壓力補償閥起壓力補償作用，為了有效減小系統壓力脈動的影響，補償閥中設置阻尼孔是必不可少的。本文分析出口壓力補償閥及其阻尼孔的作用，建立壓力補償過程的容腔壓力變化的數學模型，分析結構尺寸對容腔壓力波動的影響，為補償閥設計提供理論分析依據。

1 負荷傳感壓力補償回路組成

以兩回路為例，負荷傳感多路閥的出口壓力補償回路組成原理［5］如圖1所示。壓力補償閥5、6設置在主閥3、4的出口處，最高負載壓力信號直接取自負荷傳感（LS）流道（圖中虛線），沒有梭閥結構，兩部分之間直接通過液壓容腔相連，由壓力、流量實現兩部分之間的耦合，因此容腔中的壓力脈動情況對補償閥穩定工作影響較大。

在某一工況下，由多路閥的結構保證了LS流道壓力pLS取系統的最大負載壓力。若只有一個工作回路工作，pLS即為該回路的工作負載壓力；若有多個回路工作，為同時工作回路最大的負載壓力，如圖1中，pLS＝max（p2，p4）。

壓力補償閥5、6可實現的功能有：能夠控制執行機構的運動方向和運動速度；補償負載壓力的變化，使得各個換向閥進出口壓差不隨負載變化；取出執行機構回路的最高壓力，一是供自身進行壓力補償調節，二是作為負荷傳感泵1進行調節控制的反饋信號。

圖1 負荷傳感多路閥出口壓力補償回路組成原理

2 出口壓力補償閥的簡化物理模型

根據壓力補償閥的結構和工作原理，得到圖2所示的壓力補償閥的簡化物理模型。多路閥主閥的進油路和回油路分別簡化為節流口d1和T口；A口為執行機構的工作油路；B口為執行機構的回油路；h口為減壓口；f為補償閥芯中的固定薄壁小孔；g為補償閥芯中的細長孔流道，其作用是聯通壓力補償閥入口油液和LS流道油液，根據工作過程中壓力補償閥閥芯所處位置的不同，細長孔g與LS口之間打開或關閉；k為旁通阻尼孔；Vsq為壓力補償閥芯上腔體積；Vxq為壓力補償閥芯下腔體積；pb為泵的出口壓力；p1為多路閥主閥節流口d1的出口壓力，即補償閥的入口腔油液壓力；p2為負載口A對應的壓力；pg為細長阻尼腔g的壓力；pLS為LS流道的壓力，即多回路同時工作時最大負載對應的壓力；pk0為旁通油回油路的壓力，x為補償閥閥芯的位移。

圖2 壓力補償閥的簡化物理模型

3 旁通阻尼孔k的作用

在實際工作過程中，壓力補償閥不斷地進行上下補償運動，補償閥的上腔體積不斷改變，使得LS流道中的壓力會隨之產生波動。若不設置阻尼孔k，則流道中會出現壓力波動峰值、產生困油、引起多路閥的振動和噪聲等現象，嚴重時產生氣穴和氣蝕。設置阻尼孔k，可減小壓力波動、降低噪聲、提高系統穩定性，設置的阻尼孔結構尺寸有要求，如果孔徑太大或阻尼孔長度太小，則阻尼作用太小，無法建立LS流道所需的壓力，同時使泄漏流量增加，增大了系統的能量損失；反之，阻尼孔易堵塞，阻尼作用太大，不能正常發揮作用。

因此，旁通阻尼孔的作用是在保證建立LS流道壓力的同時，使少量油液流回油箱或從油箱吸入少量油液，以補償在壓力補償過程中產生的流量脈動量，防止LS流道出現困油現象，并削弱部分壓力的脈動量。合理設計阻尼孔k的結構尺寸，可使LS腔油壓升壓速度變緩，增強系統動態穩定性。

4 壓力補償閥旁通阻尼孔數學模型的建立

根據流量壓力方程、流量連續性方程及補償閥閥芯的力平衡方程，建立旁通阻尼孔k在補償閥工作過程的動態數學模型。

4.1 阻尼特性的數學模型

阻尼孔k為細長小孔，油液的流動為層流型［6－8］，其壓力流量特性方程為

式中，Qk為流過旁通阻尼孔k的流量，m3／s；Kpk為阻尼孔k的流量壓力系數；p0為回油箱油路的壓力，MPa；dk為旁通阻尼孔k的直徑，m；lk為流過旁通阻尼孔k的長度，m；μ為動力黏度系數，N·s／m2。

阻尼孔k在補償閥上腔產生的運動阻力Fsqn為

式中，ALS為壓力補償閥芯上腔面積，m2。

根據流量連續性原理：

式中，v為補償閥閥芯的運動速度，m／s。

則

其阻尼系數Cvk為

大的阻尼系數能產生大的阻尼作用，影響阻尼系數的結構參數有補償閥閥芯面積ALS、阻尼孔k的長度lk和直徑dk。

4.2 旁通阻尼孔k對補償閥LS腔壓力影響的數學模型

由閥芯受力平衡方程以及流量連續性方程［9］，得到補償閥LS腔動態特性的數學模型：

式中，E為油液的體積彈性模量，Pa；Kstx為多路閥上腔泄漏系數，m5／（N·s）；KpLS為LS口流量－壓力系數；KqLS為LS口流量增益；M 為補償閥閥芯的質量，kg；Kcn為補償閥閥芯運動的黏性阻尼系數，N·s／m；g 為重力加速度。

5 旁通阻尼孔k的特性分析

5.1 旁通阻尼孔k的結構參數對阻尼系數的影響［10］

結構參數的改變對阻尼孔k的阻尼系數的影響如圖3所示。隨著阻尼孔直徑的增大，阻尼系數急劇減小；在阻尼孔k長度一定的條件下，隨著補償閥閥芯直徑的增大，阻尼系數增大；在補償閥閥芯直徑一定的條件下，隨著阻尼孔長度的增大，其阻尼系數也增大。

圖3 結構參數對阻尼孔k的阻尼系數的影響

5.2 旁通阻尼孔k的壓力流量特性

圖4所示為阻尼孔k的壓力流量特性。阻尼孔的流量隨著壓差Δpk的增大而增大；在阻尼孔k長度一定的條件下，隨著阻尼孔k直徑的增大而增大；在阻尼孔k直徑一定的條件下，隨著阻尼孔k長度的增大而減小。

圖4 阻尼孔k的壓力流量特性

5.3 旁通阻尼孔k的結構參數對補償閥LS腔壓力的影響

5.3.1 阻尼孔k直徑的影響［11］

補償閥LS腔壓力隨阻尼孔k的直徑大小的變化如圖5所示。孔徑小，壓力從0上升到25MPa的時間長，阻尼大，壓力變化量dpLS／dt小；孔徑大，阻尼作用弱，但壓力變化量dpLS／dt大。合理的孔徑在保證系統快速響應的同時，又能使壓力的變化量不大。

5.3.2 阻尼孔k長度的影響

阻尼孔k長度對LS流道壓力的影響如圖6所示。阻尼孔k的長度值越大，阻尼作用也越大，壓力上升時間長，壓力值的變化量dpLS／dt減小。

5.4 補償閥上腔容積的影響

補償閥上腔容積對LS流道壓力的影響如圖7所示。補償閥上腔容積Vsq小，LS流道壓力上升時間短，壓力變化率dpLS／dt大；容腔體積大，可減緩LS流道壓力的變化量，但其響應時間變長。

6 結論

（1）阻尼孔直徑過大或長度過小，則阻尼力減小，由于結構的限制，不能實現阻尼腔達到需要的壓力值，同時也增大了系統的損失。若阻尼孔直徑過小，則對液流阻力加大，動態過渡時間變長，同時阻尼孔容易堵塞，不能發揮阻尼作用，影響液壓系統正常工作。若阻尼長度太大，則阻尼系數會急劇增大，阻尼作用也越大，壓力上升時間變長，但壓力值的變化量減小，可減小阻尼腔的壓力波動。

圖5 阻尼孔k直徑對LS流道壓力的影響（lk＝2mm）

圖6 阻尼孔k長度對LS流道壓力的影響（dk＝0.7mm）

圖7 補償閥上腔容積對LS流道壓力的影響

（2）補償閥上腔容積與補償閥閥芯直徑和補償閥閥體長度有關，補償閥上腔容積小，LS流道壓力上升時間短，壓力變化率高；容腔體積大，可減緩LS流道壓力的變化速度，減小阻尼腔的壓力波動。

（3）在保證阻尼腔（LS腔）壓力的前提下，盡量減少泄漏損失、降低壓力波動和縮短響應過程時間。通過阻尼孔結構尺寸對動特性的影響規律的分析，得出一般阻尼孔直徑在0.6～0.8mm、長度在2mm左右是比較合理的。

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