拖拉機液壓底盤液控比例流量閥設計與試驗

李明生　葉　進　謝　斌　楊　仕　曾百功　柳　劍

(1.西南大學工程技術學院， 重慶 400700； 2.中國農業大學工學院， 北京 100083)

0　引言

液壓驅動底盤系統結構簡單、傳動可靠，能夠為機構節省大量內部空間，方便各種工作部件的布置，因此在履帶式拖拉機和高地隙拖拉機上得到了廣泛的應用[1-2]。

流量調節液壓系統有變量泵+液壓馬達和定量泵+液壓閥+液壓馬達兩種。其中變量泵+液壓馬達形式的液壓系統由于結構簡單得到了廣泛的應用，但是在系統的響應速度和流量的控制精度方面尚待提升。采用定量泵+液壓閥+液壓馬達的液壓驅動底盤系統采用比例換向閥和比例流量閥進行流量連續控制，比例換向閥上增設壓差補償器構成比例流量閥[3-4]。常用的比例流量閥根據換向方式不同分為手動式、機動式、液壓先導式、電磁式、電液式等[5-7]。隨著機械設備自動化程度的不斷提升，液壓先導式和電液式比例流量閥得到了廣泛的應用，這兩種閥均屬于液控比例閥，通過作用在閥芯兩端的液壓力與復位彈簧的相互作用來實現換向。在比例流量閥控制精度提升方面，不少學者開展了大量的研究，取得了一定的成果，但是基本都處于設計和仿真階段，實際應用的很少[8-11]。本文通過對比例換向閥和壓力補償閥精確計算，設計一種三位四通式比例流量閥，并進行仿真分析和試驗驗證，以期實現流量的精確控制。

1　工作原理

本文所設計的液控比例流量閥工作原理如圖1所示。該閥由壓力補償閥、比例換向閥、梭閥以及其他組件構成。壓力補償閥本質上是一種定差減壓閥，通過壓力補償閥彈簧使比例換向閥進出油口的壓差Δp保持恒定，從而消除壓力波動對流量的影響，提高流量控制精度。油液經進油口P進入壓力補償閥，經由壓力補償閥節流口后油液壓力降低為p1，進入比例換向閥，部分油液經由反饋油路進入壓力補償閥的左腔；比例換向閥出油口PA、PB的油液進入梭閥，梭閥是一個最高壓力選擇閥，輸出的壓力p2是PA、PB出油口的最高值，經過反饋油路進入壓力補償閥1的右腔。系統的油液壓力p恒定，當p2恒定，p1升高時，施加在壓力補償閥閥芯的油液作用力增大，使閥芯克服彈簧力向右移動，閥口趨于關閉，節流損失增加，使p1減小，壓差恒定；當p1恒定，p2升高時，施加在壓力補償閥閥芯的油液作用力減小，在彈簧力的作用下，閥芯向左運動，閥口增大，節流損失降低，使p1同步增加，保持壓差恒定。

比例換向閥是三位四通液控換向閥，由比例換向閥閥芯、復位彈簧、閥體等構成，中位機能為M型。P1為進油口，連接壓力補償閥的出油口；T為回油口，接回油箱；PA、PB為工作油口，分別接通液壓泵的進出油口。比例換向閥閥芯左側控制油腔通壓力油，右側控制油腔通回油箱，閥芯在油液作用力作用下克服彈簧力向右移動，P1-PA、PB-T油口接通，液壓泵正轉，拖拉機前進；比例換向閥閥芯右側控制油腔通壓力油，左側控制油腔通回油箱，閥芯在油液作用力作用下克服彈簧力向左移動，P1-PB、PA-T油口接通，液壓泵反轉，拖拉機后退。控制比例換向閥開口便可以調節系統流量，從而控制拖拉機的行駛速度。

圖1　液控比例流量閥工作原理Fig.1　Principle of flow valve1.壓力補償閥　2.比例換向閥　3.梭閥

2　設計與計算

根據液控比例流量閥工作原理設計結構如圖2所示。本閥由比例換向閥、壓力補償閥、溢流補油閥、高壓反饋閥以及閥體等組成。其中比例換向閥和壓力補償閥為直動式滑閥結構，溢流補油閥和高壓反饋閥為螺紋插裝式結構，閥體為整體鑄造式。設計最高流量Qg為5.83×10-3m3/s。

圖2　液控比例流量閥結構Fig.2　Hydraulic proportional flow valve structure1、2.溢流補油閥　3.比例換向閥　4.壓力補償閥　5.高壓反饋閥

2.1　壓力補償閥

壓力補償閥閥芯大徑DR和小徑dR的計算公式為

(1)

根據多路閥的制造工藝性和使用的方便性，減壓閥閥芯的徑確定為DR=2.5×10-2m，dR=1.4×10-2m。

最大通流面積ARmax的計算公式為

(2)

最終確定換向閥最大開口量δRmax為

(3)

壓力補償閥的補償壓差Δp對比例換向閥的性能起著至關重要的作用。壓差大能減小比例換向閥的體積，但是會造成較大的節流損失；壓差小則節流損失較小，但會使閥的調速剛性變差、體積增大[12-14]。取壓力補償閥補償壓差Δp為0.7 MPa。由此計算壓力補償閥彈簧預緊力

(4)

設計彈簧預壓縮量為0.008 m，則彈簧剛度約為43 kN/m。

根據JB/T 3338.2—93《液壓件圓柱螺旋壓縮彈簧 設計計算》，計算并確定壓力補償閥彈簧參數如表1所示。

表1　壓力補償閥彈簧參數Tab.1　Pressure compensation valve spring parameters

2.2　比例換向閥

2.2.1比例換向閥計算

根據式(1)計算得到比例換向閥的大徑D為2.5×10-2m，小徑d為1.4×10-2m。

為使閥口在最大開口δmax下，油液經過閥口不產生擴散損失，應使最大通流面積Amax不大于閥芯與閥體間環形截面積，即

(5)

在閥芯開口處設計過渡節流槽以提高流量穩定性，最終確定換向閥最大開口量δmax為3×10-3m，過渡節流槽長度l為8×10-3m。

本閥中位機能為H型，因此閥芯節流槽為負遮蓋，即閥芯位移為0時，閥口已經打開，負遮蓋量為0.000 5 m，由此確定閥芯行程S為

S=δmax+l-0.5=1.05×10-2m

(6)

在機械設備中，液壓控制壓力范圍為0.6～1.9 MPa，即比例換向閥閥芯受到的最低油液壓力px1=0.6 MPa，最高油液壓力px2=1.9 MPa，由此可得，比例換向閥的閥芯力平衡方程為

(7)

計算得到比例換向閥彈簧預壓縮量x0為6.3×10-3m，彈簧剛度K為46.7 kN/m。

根據JB/T 3338.2—93《液壓件圓柱螺旋壓縮彈簧 設計計算》，計算并確定比例換向閥彈簧參數如表2所示。

表2　比例換向閥彈簧參數Tab.2　Proportional directional valve spring parameters

2.2.2比例換向閥節流槽設計

為滿足拖拉機低速行駛的要求，即小流量下的系統穩定性，需要設計過渡節流槽。比例換向閥常用的節流口型式有銑割槽式、錐式、三角槽式、半圓式(D型槽)和半圓矩形式(U型槽)，根據文獻[15-16]分析的各節流槽的特性，設計比例換向閥節流槽如圖3所示。

圖3　比例換向閥節流槽Fig.3　Proportional directional valve throttle

在比例換向閥閥芯圓周面上共設計2種節流槽，每種2組。各組節流槽交叉均布以降低閥芯不平衡力造成閥芯卡滯。2種節流槽設計參數如表3所示。

表3　比例換向閥閥芯節流槽設計參數Tab.3　Valve spool throttle parameters

根據閥口遷移理論[17-20]，在Matlab中建立比例換向閥節流口通流面積隨閥芯位移變化數學模型如圖4所示。通過計算仿真得到閥芯位移-通流面積曲線如圖5所示。由圖5可知，閥芯總行程為1.05×10-2m，其中：0～5×10-4m為封油區，通流面積為零； 5×10-4～5.7×10-3m為調速區，通流面積區間為0～6×10-5m2；5.7×10-3～1.05×10-2m為快速增益區，通流面積區間為6×10-5～2.13×10-4m2。

圖4　比例換向閥節流口模型Fig.4　Proportional directional valve orifice model

圖5　比例換向閥通流面積隨閥芯位移變化曲線Fig.5　Changing curves of flow area with spool

3　AMESim模型建立與仿真

3.1　AMESim模型

圖6　拖拉機液壓底盤行走系統Fig.6　Tractor hydraulic chassis walking system

在AMESim中建立拖拉機液壓底盤行走系統模型如圖6所示。該模型由液壓泵、主溢流閥、壓力補償閥、比例換向閥、二次溢流閥以及液壓馬達等構成。其中液壓泵為定量泵，通過調節比例換向閥控制油液壓力來控制閥芯的位移，從而實現流量的精細控制。

設定負載為空載，在忽略滑閥閥芯摩擦力前提下，設置主要模型參數如表4所示。

表4　仿真模型主要參數Tab.4　Main parameters of simulation model

3.2　仿真驗證與分析

設定液壓比例流量閥控制壓力在0～2.5 MPa之間變化，得到壓力補償閥補償壓力隨控制壓力變化曲線和液壓比例閥流量隨控制壓力變化曲線分別如圖7、8所示。由圖7可知，在0～0.6 MPa的控制壓力區間內，由于比例換向閥閥口尚未打開，因此壓力補償閥沒有補償作用，壓力變化幅度較大；在0.6～1.9 MPa的控制壓力區間，比例換向閥閥口逐漸增大，壓力補償閥開始作用，控制補償壓力在0.3～0.7 MPa的范圍內，以使比例換向閥流量穩定；在大于1.9 MPa的控制壓力區間內，由于比例換向閥閥口和壓力補償閥閥口全部打開，因此補償壓力降低為0.1 MPa，有利于進一步降低系統的壓力損失。由圖8可知，在0.6～1.9 MPa的控制壓力區間內，本閥控制流量為0～5.67×10-3m3/s，流量隨控制壓力變化，且變化平穩，定義該控制壓力區間為流量調速控制壓力區，占總控制壓力區間的68.4%。

圖7　補償壓力隨控制壓力的變化曲線Fig.7　Changing curve of compensation pressure with control pressure

圖8　比例換向閥流量隨控制壓力的變化曲線Fig.8　Changing curve of flow rate with control pressure

4　性能試驗與分析

在高地隙拖拉機臺架上進行液控比例流量閥性能試驗。測試在不同拖拉機行駛工況下的液控比例流量閥性能，如圖9所示。

圖9　液控比例流量閥性能試驗Fig.9　Hydraulic proportional flow valve performance test

4.1　液控比例流量閥流量控制特性試驗

定量泵排量為1.50×10-4m3/r，發動機怠速工況下轉速為800 r/min，系統流量為2×10-3m3/s；發動機高速工況下轉速為1 900 r/min，系統流量為4.75×10-3m3/s。通過改變液控比例流量閥的控制壓力來測試拖拉機空載和重載下發動機分別處于怠速工況以及高速工況時液控比例流量閥的性能。

由圖10可得知，拖拉機空載、發動機怠速工況時，閥的開啟壓力為0.8 MPa，即流量死區壓力控制區間為0～0.8 MPa；調速區壓力控制區間為0.8～1.7 MPa，流量變化區間為0～2×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩；1.7～2.0 MPa為流量飽和區，此時流量穩定在2×10-3m3/s。流量調速控制壓力區占總控制壓力區間的45%。閥的閉合壓力為0.24 MPa，小于開啟壓力，這是由于閥在開啟的過程中除了需要克服彈簧阻力以外，還需要克服靜摩擦力、穩態液動力和瞬態液動力等阻力，導致閥的開啟壓力大于設計開啟壓力；在閥的關閉過程中，所需要克服的只有彈簧阻力和較小的動摩擦力，而且此時穩態液動力作用方向與閥芯運動方向一致，因此閥的閉合壓力小于開啟壓力。

圖10　拖拉機空載、發動機怠速工況流量控制特性Fig.10　Flow characteristics of tractor no-load at idle engine speed

由圖11可知，拖拉機空載、發動機高速工況時，閥的開啟壓力為0.76 MPa，即流量死區壓力控制區間為0～0.76 MPa；調速區壓力控制區間為0.76～2.0 MPa，流量變化范圍為0～4.75×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩，無流量飽和區。流量調速控制壓力區占總控制壓力區間的62%。閥的閉合壓力為0.24 MPa，小于開啟壓力，其原因與圖7一致。

圖11　拖拉機空載、發動機高速工況流量控制特性Fig.11　Flow characteristics of tractor no-load at high engine speed

由圖12可知，拖拉機重載、發動機怠速工況時，閥的開啟壓力為0.84 MPa，即流量死區壓力控制區間為0～0.84 MPa；調速區壓力控制區間為0.84～1.83 MPa，流量變化范圍為0～2×10-3m3/s，并且流量隨控制壓力變化平穩；1.83～2.0 MPa為流量飽和區，此時流量穩定在2×10-3m3/s。流量調速控制壓力區占總控制壓力區間的49.5%。閥的閉合壓力為0.3 MPa。

由圖13可知，拖拉機重載、發動機高速工況時，閥的開啟壓力為1.03 MPa，即流量死區壓力控制區間為0～1.03 MPa；調速區壓力控制范圍為1.03～2.0 MPa，流量變化范圍為0～4.75×10-3m3/s，在微開口時由于壓力變化較大，壓力補償閥無法及時調整，造成流量不平穩，在1.2 MPa以后流量隨控制壓力變化平穩；無流量飽和區。流量調速控制壓力區占總控制壓力區間的48.5%。閥的閉合壓力為0.2 MPa。

圖12　拖拉機重載、發動機怠速工況流量控制特性Fig.12　Flow characteristics of tractor heavy-duty at idle engine speed

圖13　拖拉機重載、發動機高速工況流量控制特性Fig.13　Flow characteristics of tractor heavy-duty at high engine speed

4.2　液控比例流量閥小流量穩定性試驗

設定液控比例流量閥控制壓力為0.78、0.84 MPa，得到不同控制壓力下液控比例流量閥的小流量特性曲線如圖14、15所示。

由圖14可知，當控制壓力為0.78 MPa時，液控比例流量閥流量穩定在8.33×10-5m3/s，且流量穩定；由圖15可知，當控制壓力為0.84 MPa時，液控比例閥流量穩定在2.5×10-4m3/s，且流量穩定。

圖14　控制壓力為0.78 MPa時閥小流量特性Fig.14　Flow characteristics at 0.78 MPa pressure

圖15　控制壓力為0.84 MPa時閥小流量特性Fig.15　Flow characteristics at 0.84 MPa pressure

5　結束語

采用傳統計算與仿真驗證的方法設計了一種液控比例流量閥，并將閥口遷移理論應用在閥芯節流槽設計。仿真與試驗表明，在不同拖拉機工況下，本閥具有良好的流量控制特性，流量調速控制壓力區占總控制壓力區間不小于45%，流量隨控制壓力變化平穩；本閥同時具有良好的小流量特性，在微開口時，流量控制平穩，能夠保證拖拉機的低速行駛穩定性。

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