新型負載敏感平衡閥設計與裝機試驗

2016-09-08 07:53:35朱石沙吳彥波羅炎熱

工程設計學報 2016年4期

朱石沙, 吳彥波, 匡　萍, 羅炎熱

(1. 湘潭大學機械工程學院, 湖南湘潭 411105； 2. 湖南鴻輝科技有限公司, 湖南長沙 410000)

新型負載敏感平衡閥設計與裝機試驗

朱石沙1, 吳彥波1, 匡萍1, 羅炎熱2

(1. 湘潭大學機械工程學院, 湖南湘潭 411105； 2. 湖南鴻輝科技有限公司, 湖南長沙 410000)

介紹了一種帶折疊臂架的機械用新型負載敏感平衡閥,對其工作原理及結構特點進行了詳細闡述.平衡閥芯采用節流孔組合的節流形式,借助MATLAB對節流口過流面積特性曲線進行擬合,當負載壓力改變時,通過控制平衡閥芯位移,調節過流面積,達到穩定流量的目的.上述設計使得該閥不僅具有多級調節功能,而且負載敏感性得到提升.為了測試該閥在實際應用環境下的性能,在混凝土泵車上進行了裝機試驗.結果表明：該閥控制壓力低,降低了系統功耗,負載敏感特性表現良好；臂架運行平穩,穩定性得到提升.

負載敏感; 平衡閥; 結構設計; 裝機試驗

平衡閥在混凝土泵車、起重機、高空作業車等帶折疊臂架的現代工程機械中應用廣泛,其工作負載隨著臂架間角度的變化而頻繁變化,因而在上升、下降和空中定位靜止等典型工況下對平衡閥的靜態和動態性能要求都相當高[1-3].傳統的平衡閥由于控制壓力偏高,系統功率損失嚴重,而且節流口過流面積的大小不能根據負載的改變而進行自動調節,容易造成執行機構低頻抖動[4-6].為了解決上述問題,設計了一種新型的負載敏感平衡閥[7].當負載壓力發生變化時,該閥將負載信號反饋給彈簧腔,通過反饋壓力使平衡閥芯移動,進而調整過流面積,達到維持流量穩定的目的.同時,為實現臂架空中自鎖,防止臂架自由下落,平衡閥芯采用錐閥結構,并將高壓油引入彈簧腔來實現零泄露.為了測試該閥在實際工況下的性能,在混凝土泵車上進行裝機試驗.

1　新型負載敏感平衡閥原理與結構

該閥采用負載敏感原理[8-9],將負載信號引入平衡閥彈簧腔,彈簧力和負載信號產生的反饋力共同作用在閥芯側,與先導控制壓力平衡,通過改變平衡閥芯位移,調整節流口過流面積,降低流量波動,實現負載運動平穩運行；閥內設置的單向閥具有正向導通、反向截止功能；閥內設置的溢流閥具有防止壓力沖擊的功能.

該閥的工作原理如圖1所示.A為進油口,B為負載油口,C為先導控制油口.由于設置了單向閥2,油口A到油口B實現正向導通,反向截止；由于設置了溢流閥3,當負載壓力過大時,可防止壓力沖擊；通過先導控制油口C的控制,油口B到油口A可根據要求實現不同程度的限流.

1—主閥；2—單向閥；3—溢流閥.圖1　新型負載敏感平衡閥工作原理Fig.1　Operation principle of the new kind of load-sensing counterbalance valve

該閥結構如圖2所示，主要由閥體1、控制閥芯2、平衡閥芯(閥頭4和閥桿5)、先導閥芯8、溢流閥芯10等組成,結合該閥的3個典型工況介紹其具體工作過程.正向開啟時,平衡閥芯在進油腔a的壓力pa作用下向右移動,平衡閥正向開啟,油口A到油口B的油路處于導通狀態.反向截止時,負載腔b的壓力pb和彈簧6及彈簧9的彈力共同作用在平衡閥芯右側,通過錐閥結構的閥頭4實現零泄漏,油口B到油口A的油路處于截止狀態.反向開啟時,負載腔b的壓力pb和彈簧6的彈力作用在平衡閥右側,先導控制壓力pc作用在控制閥芯2左側,通過支撐桿3推動先導閥芯8開啟,使得進油腔a和彈簧腔d連通,負載腔b和腔e連通,隨著控制閥芯的繼續右移,平衡閥芯打開,油口B到油口A的油路處于導通狀態.此時,左側的先導控制壓力pc與右側的負載壓力pb和彈簧6的彈力通過控制平衡閥芯的移動,改變節流口過流面積,起到限流的作用.

1—閥體；2—控制閥芯；3—支撐桿；4—閥頭；5—閥桿；6—彈簧；7—隔離塊；8—先導閥芯；9—彈簧；10—溢流閥芯.圖2　新型負載敏感平衡閥結構Fig.2　Structure of the new kind of load-sensing counterbalance valve

該閥設計參數：額定流量為60 L/min,額定壓力為32 MPa,先導控制壓力為2～6 MPa,正向壓力損失為0.7 MPa.

2　平衡閥芯設計與分析

平衡閥的主要作用是限制流量,建立穩定背壓.其中,節流口的設計直接影響過流面積的變化,對整個平衡閥的控制特性至關重要,而過流面積特性曲線需要滿足限制流量的要求.該閥采用錐閥和滑閥結構的組合方式作為節流口的密封形式,在保證鎖死工況下零泄漏的同時能夠獲得良好的流量調節特性.

2.1平衡閥芯行程分區

平衡閥的節流口有2種工作狀態：正向開啟時,平衡閥需要處于全通流狀態；反向開啟時,平衡閥需要起限流作用.為此,平衡閥的過流面積曲線需要分成2段,平衡閥芯總行程設計為7 mm,0～5.5 mm為限流區間,5.5～7 mm為全通流區間.

根據負載敏感的概念,要求限流區間內,當先導控制壓力穩定時,平衡閥流量幾乎不受負載壓力變化的影響.此時,負載壓力的變化通過改變平衡閥芯位移,調整節流口過流面積,而過流面積的變化對流量的影響剛好與負載壓力變化對流量的影響相抵消.節流口流量方程為

(1)

式中：Q——工作流量,L/min；

Cq——流量特性系數；

Av——可調的節流口過流面積,m2；

xv——平衡閥芯位移,m；

ρ——油液密度,kg/m3.

平衡閥芯位移方程為

(2)

式中：Ac——pc作用于控制閥芯的面積,m2；

Ab——pb作用于平衡閥芯的面積,m2；

F0——液動力,N；

K——彈簧6的剛度,N/m.

由以上分析可知,確定平衡閥的先導控制壓力即可得到相匹配的工作流量.

2.2各區間行程計算分析

通過確定先導控制壓力和工作流量,可得到不同負載壓力下維持流量不變的節流口過流面積.但是,隨著先導控制壓力的增大，整個工作區間的變化關系曲線是不同的,需要分段設計,使平衡閥具有多級調速功能,所以將過流面積隨閥芯位移的變化曲線在限流區間分為3段(微動區間、慢速運動區間和快速運動區間),各個區間均具有負載敏感特性,且存在緩慢過渡.

在微動區間(0～2 mm),由于過流面積很小,直接采用線性關系曲線.為使額定壓力32 MPa下獲得10 L/min的流量,該區間最大過流面積為

(3)

在慢速運動區間(2～4 mm),前0.5 mm為過渡區間,后1.5 mm為穩定區間,穩定流量為20 L/min.由式(1)和式(2)可知,當負載壓力為20 MPa,平衡閥芯處于穩定區間中點3.25 mm位移處,先導控制壓力為2.29 MPa.通過計算得出負載壓力在15～25 MPa范圍變化時,平衡閥芯的各項數據如表1所以.

表1　平衡閥芯的數據

在快速運動區間(4～5.5 mm),需要流量維持在40 L/min,分析同上,不再具體說明.

在全通流區間(5.5～7 mm),要求額定流量下最小背壓為4 MPa.根據油液連續性方程,計算得出額定流量60 L/min下,節流口處產生3.5 MPa壓力損失的最大過流面積為

(4)

結合以上分析與計算結果,通過MATLAB編程可獲得平衡閥整個工作范圍內的平衡閥芯位移—節流口過流面積特性曲線,如圖3所示.

圖3　過流面積特性曲線Fig.3　Characteristic curve of the open area

2.3過流面積特性曲線的擬合

為了保證閥芯受力均勻,設計采用分區間、多個節流小孔組合的形式來滿足節流口過流面積特性的要求,采用參數化程序設計的方式對其曲線進行擬合.圖4為平衡閥芯環形小孔位置分布展開圖,共分為4排小孔,對應著過流面積特性曲線的4個區間.各排節流小孔在平衡閥芯上根據節流面積區間呈階梯分布,各個區間的環形小孔均勻分布,利用MATLAB編程可獲得最終擬合的平衡閥芯位移—節流口過流面積特性曲線,如圖5所示.

圖4　平衡閥芯節流小孔展開圖Fig.4　Expansion graph of the counterbalance valve’s throttling orifice

圖5　擬合的過流面積特性曲線Fig.5　Fitted characteristic curve of the open area

3　裝機試驗

為了測試該閥在實際應用環境下的性能,在一輛SY5271THB型混凝土泵車上進行了裝機試驗,如圖6所示.試驗前按照國家平衡閥標準JB/T 9739.1—1999對新型負載敏感平衡閥作了嚴格的出廠試驗,并將達標的作為試驗樣件.首先,將系統油溫調節至50 ℃,試驗步驟如下：

1)分別將新型負載敏感平衡閥安裝在主機第2節臂架油缸的大小腔處,在多路閥的對應聯接入測壓接頭,裝上壓力表.控制遙控手柄分別進行臂架伸出和臂架收縮操作,觀察臂架運動的情況及控制壓力的變化,記錄現象及數據；將臂架伸出至某一點保持靜止不動,觀察臂架下降的情況并記錄.

2)分別將原裝Vikers平衡閥安裝在主機第2節臂架油缸的大小腔處,重復第1)步操作并記錄現象及數據.得到最終的統計數據如表2所示.

圖6　裝機試驗Fig.6　Installation test

MPa

本次裝機試驗的結果表明,該閥基本達到設計要求.與進口Vikers平衡閥相比,新型負載敏感平衡閥控制壓力低,達到了降低系統功耗的目的；整個上升和下降過程中壓力呈現階段性變化,各階段壓力近似線性輸出，能夠隨著負載壓力的變化進行調節,流量穩定無沖擊；臂架未出現顫振現象,系統運行平穩;在靜止工況下,臂架能夠保持長時間靜止不動,穩定可靠.

4　結　論

設計了一種新型負載敏感平衡閥,對其工作原理和結構特點進行了說明.對平衡閥負載敏感特性影響較大的平衡閥芯節流口進行了分段設計和計算,采用節流小孔組合的節流方式,借助MATLAB對過流面積特性曲線進行擬合,得到滿足要求的組合方式.為了驗證該結構設計的可行性,在混凝土泵車上進行了裝機試驗,并與原閥作了對比試驗.試驗證明,該新型負載敏感平衡閥控制壓力低,有效降低了系統功耗,負載敏感特性表現良好.同時,該閥穩定性得到提高,基本滿足臂架平穩運行的要求.

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Design of a new kind of load-sensing counterbalance valveand installation test

ZHU Shi-sha1, WU Yan-bo1, KUANG Ping1, LUO Yan-re2

(1. School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2. Hunan Hydfly Science & Technology Co.,Ltd., Changsha 410000, China)

A new kind of load-sensing counterbalance valve which used in the machinery with folding boom was introduced， of which the structure and working principle had been expatiated. A combination of the orifice was used in the counterbalance valve’s spool， and the fitted characteristic curve of the open area was produced by the software of MATLAB. When the load pressure was changed， in order to achieve steady quantity of flow， the valve could control the displacement of the counterbalance valve’s spool to adjust the flow area. The proposed design not only made the valve possess multi-level adjustment ability but also raised the sensitive nature of the load. To test the performance of the valve under actual application environment， the installation test was done on the concrete pump truck. The results showed that the control pressure was low， the consumption of the system’s power was reduced， the sensitive nature of the load had a good performance， the boom ran smoothly， and the stability was improved．

load-sensing; counterbalance valve; structure design; installation test