基礎振動下液壓鎖緊回路背壓閥的選型方法

潘文龍，張懷亮, 2，王蔚坪

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基礎振動下液壓鎖緊回路背壓閥的選型方法

潘文龍1，張懷亮1, 2，王蔚坪1

(1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083； 2. 中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

針對振動環(huán)境下背壓閥對鎖緊回路動態(tài)特性的影響，建立節(jié)流閥、順序閥及平衡閥作背壓閥的3種鎖緊回路的仿真模型，實驗驗證該仿真模型的正確性。對比分析在基礎振動下空載、定載和變載時這3種背壓閥對鎖緊回路動態(tài)特性的影響，得到基礎振動以及負載對液壓缸的速度影響曲線。研究結果表明：基礎振動下定載及負載變化在0~90 kN時，節(jié)流閥和順序閥背壓相對平衡閥背壓有更強的穩(wěn)定性，當交變載及變載大于100 kN時，平衡閥的穩(wěn)定性相對更好。該方法能夠為液壓鎖緊回路背壓閥的選型提供一定的參考。

背壓閥；鎖緊回路；基礎振動；選型；動態(tài)特性

液壓鎖緊回路廣泛應用于工程機械液壓支撐系統(tǒng)、推進系統(tǒng)，起重運輸機械等液壓系統(tǒng)中[1]。在液壓鎖緊回路中為了使回油管路保持一定的壓力，讓執(zhí)行機構動作平穩(wěn)，就需要使用背壓閥。為了保證在工作過程中的安全和工效，要求液壓鎖緊回路具有良好的動態(tài)特性。而工程機械在工作過程中由于外部的劇烈沖擊和內(nèi)部脈沖油液的雙重作用，使得液壓閥元件以及整個液壓系統(tǒng)受到劇烈的振動，導致閥芯與閥體產(chǎn)生不正常的相對移動，這將會引起閥芯不正常的開閉及振顫，造成整個回路流量、壓力及液壓缸活塞的波動加大，影響液壓鎖緊回路的正常工作[2?3]。根據(jù)在回油管路中接入的背壓閥和工作環(huán)境的不同，鎖緊回路的工作性能也有所差異，因此，研究振動環(huán)境下液壓鎖緊回路背壓閥的選型方法有必要性。針對液壓鎖緊回路動態(tài)特性的問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究。葛玉柱等[4]介紹了幾種常見的液壓限速與鎖緊回路，并概述了幾種回路的優(yōu)點與存在的不足，并針對各個回路的不足給出了改進措施。張安等[5]針對液壓鎖緊回路在工作時存在的不穩(wěn)定的問題進行了建模，分析后認為系統(tǒng)背壓設定不合理是導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要原因。CASOLI等[6?7]使用理論分析及軟件仿真，針對挖掘機的液壓回路進行了灰箱建模。仿真結果很好地指導了挖掘機液壓系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試。TANG等[8]使用了傳遞函數(shù)法來研究液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，得出系統(tǒng)在時域和頻域的動態(tài)響應曲線。RITELLI等[9]研究了使用平衡閥做背壓的起重臂液壓鎖緊回路的動態(tài)特性，提出了一種系統(tǒng)的研究方法來確定回路最佳參數(shù)。胡陽等[10]對幾種典型的液壓鎖緊回路進行仿真，得出了壓力位移的時域響應動態(tài)曲線。伍小東等[11]對比分析了幾種典型鎖緊回路位置鎖定的可靠性，得出了鎖緊回路中不同鎖緊元件的開啟及保持開啟的條件。季清華[12]研究了鎖緊回路的動態(tài)特性，結果表明改變控制油口直徑，液壓缸負重，調(diào)整彈簧預緊力及彈簧剛度等參數(shù)對平衡閥的開啟性有顯著的影響。梁宏喜[13]研究了液壓平衡回路，對使用板式平衡閥及螺紋插裝式平衡閥的平衡回路進行了仿真建模與分析。鄒偉[14]在考慮了基礎振動影響的因素下，對液壓缸的動態(tài)特性進行了研究；袁堅[15]對基礎振動下比例調(diào)速閥的動態(tài)特性進行了分析，研究顯示較大的基礎振動對液壓元件的動態(tài)性能有不容忽視的影響。從以上研究中發(fā)現(xiàn)，對鎖緊回路動態(tài)特性的研究較多，但是集中于考慮系統(tǒng)參數(shù)，回路背壓等因素的影響，鮮少文獻考慮實際工況中振動及變載對其的影響。因此，研究基礎振動下背壓閥對液壓鎖緊回路動態(tài)特性的影響具有現(xiàn)實意義。

1 原理

圖1所示為一種由2個液控單向閥組合而成的液壓閥，俗稱“液壓鎖”，在液壓缸的進、回油路中都串接液控單向閥。換向閥處于中間位置時，液壓泵卸荷，輸出油液經(jīng)換向閥回油箱，由于系統(tǒng)無壓力，液壓缸左右兩腔的油液均不能流動，實現(xiàn)執(zhí)行機構的雙向閉鎖。

圖1 液控單向閥鎖緊回路

1 N/mm背壓閥是根據(jù)閥的功能而命名的一類可以形成一定壓力的閥，其是通過彈簧的彈力來工作的。當系統(tǒng)壓力比設定壓力小時，膜片在彈簧彈力的作用下堵塞管路；當系統(tǒng)壓力比設定壓力大時，膜片壓縮彈簧，管路接通，液體通過背壓閥。主要對使用較為廣泛的節(jié)流閥、順序閥、平衡閥這3種背壓閥進行 研究。

2 仿真模型

在液壓仿真領域中AMESim是一款優(yōu)秀的軟件，它基于鍵合圖理論將復雜的系統(tǒng)分解成一些基本的元素，為流體動力學、機械動力學及控制系統(tǒng)等領域提供了一個卓越的仿真環(huán)境[16?17]，已經(jīng)成功應用于航空航天、車輛、船舶、工程機械等多學科領域。

2.1 雙向液控單向閥建模

在軟件中，沒有直接的雙向液控單向閥模型，因此需要使用內(nèi)置的液壓元件設計庫自行搭建雙向液控單向閥的仿真模型。在模型中，雙向液控單向閥由2個液控單向閥及控制活塞組成。液控單向閥由一端帶彈簧的活塞模塊、帶位置限定的單自由度慣性質量模塊、錐閥座孔模塊組成。控制活塞的兩端分別有一個接觸彈簧模塊，用以模擬控制活塞與閥芯之間的間隙。雙向液控單向閥仿真模型如圖2所示。

設置模型的仿真參數(shù)時，根據(jù)實際工況來確定，主要模型參數(shù)如表1所示。

圖2 雙向液控單向閥仿真模型

表1 雙向液控單向閥模型結構參數(shù)

2.2 換向閥建模

在進行仿真建模時，根據(jù)三位四通換向閥結構選擇液壓元件設計庫中的模塊，仿真模型如圖3所示。

換向閥模型的主要元件結構參數(shù)如表2所示。

圖3 三位四通換向閥仿真模型

表2 換向閥模型結構參數(shù)

2.3 帶負載液壓缸建模

在實際的工況中負載十分復雜，這里以TBM后支撐液壓缸作為研究對象，使用液壓元件設計庫中的接觸彈簧模塊實現(xiàn)液壓缸與地面接觸碰撞的過程[18]。仿真模型如圖4所示。

在帶負載液壓缸的主要模型仿真參數(shù)如表3 所示。

圖4 液壓缸仿真模型

表3 液壓缸模型結構參數(shù)

2.4 順序閥及平衡閥建模

仿真模型分別如圖5和圖6所示。

春夏之夜宵與秋冬之夜宵，大不相同。我以前去過次廣州，晚上光腳穿人字拖去吃腸粉燒鵝時，不覺想到《胭脂扣》里萬梓良吃夜宵，遭遇女鬼梅艷芳。或者是受了這場景影響，廣東小吃味道之細罕有其匹，但沒有秋冬天吃飯，那種“吃出汗來”的亢奮。

模型仿真參數(shù)如表4所示。

2.5 液壓鎖緊回路建模

圖7所示為鎖緊回路原理圖。根據(jù)前面搭建的換向閥、雙向液控單向閥及帶負載液壓缸的仿真模型，組合成基礎振動下液壓鎖緊回路的仿真模型，如圖8所示。

圖5 順序閥仿真模型

圖6 平衡閥仿真模型

表4 順序閥及平衡閥模型結構參數(shù)

圖7 鎖緊回路原理圖

圖8 鎖緊回路仿真模型

3 模型驗證

3.1 實驗系統(tǒng)

為了驗證仿真模型的正確性，分析不同振動強度和振動頻率下液壓缸活塞的速度波動值，將仿真值與實驗值對比。

如圖9所示，實驗系統(tǒng)包括振動系統(tǒng)、負載模擬液壓系統(tǒng)、鎖緊回路及其他液壓系統(tǒng)。其中，負載模擬液壓系統(tǒng)的動力由定量泵2提供，動力缸11可以對負載模擬液壓缸進行拖拽，慣性負載10可以模擬液壓系統(tǒng)啟停時活塞桿及其附件產(chǎn)生的慣性力。實驗的鎖緊回路所在液壓系統(tǒng)的動力由變量柱塞泵18提供，鎖緊回路由Y型中位三位四通換向閥14、雙向液控單向閥13、節(jié)流閥12及動力缸11組成；通過換向閥的控制電路實現(xiàn)動力缸的工進、工退及中位鎖緊的功能。利用L620M振動臺模擬基礎振動的環(huán)境。在動力缸11的無桿腔處接入流量、壓力傳感器，產(chǎn)生的信號經(jīng)EN880無紙記錄儀連接至電腦。實時采集實驗裝置的流量，通過數(shù)據(jù)處理間接采集活塞桿速度數(shù)據(jù)。表5所示為液壓實驗系統(tǒng)主要元件。

1—過濾器；2—定量泵；3—單向閥；4—溢流閥；5—電磁換向閥；6—減壓閥；7—單向閥；8—溢流閥；9—加載液壓缸；10—慣性負載；11—動力液壓缸；12—單向節(jié)流閥；13—雙向液控單向閥；14—換向閥；15—溢流閥；16—換向閥；17—調(diào)速閥；18—變量柱塞泵。

表5 液壓實驗系統(tǒng)主要元件

3.2 驗證分析

在回路出口處串接一個流量傳感器。實驗中設定基礎振動的頻率為40 Hz，振動強度從0(為重力加速度)變化到10，對實驗測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與分析并與此條件下的仿真結果進行對比，如圖10所示。

實驗中設定基礎振動的強度為6，振動頻率從20 Hz變化到100 Hz，進行實驗后對測得的數(shù)據(jù)與仿真結果進行對比，如圖11所示。頻率為20~40 Hz時壓力波動呈上升趨勢，在振動頻率為40 Hz附近處存在一個共振區(qū)，當頻率越過共振區(qū)時壓力波動的幅值迅速減小。

對實驗采集數(shù)據(jù)與仿真結果進行對比分析可知：同頻率下活塞速度波動隨著振動強度的增大而增大，最大誤差為1.15×10?4m/s，平均誤差為0.67×10?4m/s；同強度下在40 Hz處活塞速度波動有最大值，最大誤差為0.88×10?4m/s，平均誤差為0.66×10?4m/s。兩者的數(shù)值存在一定程度的偏差，這是因為仿真中忽略了泵的流量壓力脈動及一些摩擦因素，但兩者的變化趨勢具有較好的擬合度，可以驗證基礎振動下液壓鎖緊回路動態(tài)特性仿真模型的正確性。

1—實驗值；2—仿真值。

1—實驗值；2—仿真值。

4 對比分析

對基礎振動下3種背壓閥的典型液壓鎖緊回路進行仿真對比分析，設定基礎振動頻率為40 Hz，強度為6，找出負載及振動對其的影響規(guī)律，為液壓鎖緊回路背壓閥的選型提供參考。

4.1 基礎振動下空載時背壓閥對鎖緊回路動態(tài)特性的影響

換向閥在2 s時開啟換向，得到液壓缸活塞桿的運動速度動態(tài)特性曲線。如圖12所示，使用節(jié)流閥做背壓的回路速度波動最小，幅值為1.0 mm/s，用順序閥做背壓的回路速度波動稍大，幅值為1.5 mm/s，而平衡閥做背壓的回路在這種基礎振動條件下速度波動最大，幅值高達2.8 mm/s。在基礎振動下單向節(jié)流閥背壓及順序閥背壓比平衡閥背壓有更好的穩(wěn)定能力。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

4.2 基礎振動下定載時背壓閥對鎖緊回路動態(tài)特性的影響

負載為40 kN，調(diào)整節(jié)流口大小使3種回路活塞運動軌跡保持一致，換向閥在2 s時開啟換向，得到液壓缸活塞桿的動態(tài)特性曲線，如圖13所示，使用平衡閥的回路開啟時超調(diào)量較小，節(jié)流閥的超調(diào)量較大，這是因為節(jié)流閥的壓降與流速正相關，在回路開啟前回油側無背壓，會造成超調(diào)量較大，而使用順序閥的回路需要經(jīng)過0.2 s的調(diào)整，速度才能穩(wěn)定下來。

三位四通換向閥在6 s時切換為中位鎖緊，圖14所示為液壓缸活塞桿速度動態(tài)特性曲線。從圖14所示可以看出：使用順序閥做背壓閥的回路其關閉特性最佳，其超調(diào)量較節(jié)流背壓的小近40%。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

4.3 基礎振動下變載時背壓閥對鎖緊回路動態(tài)特性的影響

在鎖緊回路的液壓系統(tǒng)中除了恒定的負載外，還存在著負載變化的情況，因此回路對負載變化的順應能力也是一項重要的指標。仿真時在恒定的負載上疊加上1個斜坡信號，模擬在4 s內(nèi)，負載由?40~?120 kN的情況。

換向閥在2 s時開啟換向，得到在此負載下液壓缸活塞桿的速度動態(tài)特性曲線，如圖15所示，在2 s處經(jīng)過換向閥的換向、超調(diào)后，速度都穩(wěn)定在12.5 mm/s，隨著負載的繼續(xù)增加，可以看出：使用平衡閥背壓的回路的速度穩(wěn)定性非常好，速度僅略有增加。使用節(jié)流閥背壓的回路的速度隨著負載的增加而逐漸增加，因為節(jié)流閥的節(jié)流面積在此過程中并沒有調(diào)整，負載增大，速度也隨之改變。使用順序閥背壓的回路在一小段時間內(nèi)速度近乎沒有變化，這是因為順序閥產(chǎn)生的背壓仍能平衡掉負載力，在2.8 s開始，負載力超過了順序閥的調(diào)定背壓，此時將加速下滑，同時驅動腔的壓力會降低到負值，這在實際工程應用中會造成驅動腔中油液有氣體析出，這會對整個液壓系統(tǒng)造成嚴重的影響。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

因此使用順序閥做背壓閥時應正確調(diào)定壓力，圖16所示為將順序閥的開啟壓力提高1倍后的速度動態(tài)特性曲線。從圖16可以看出：速度失控所需的負載大大提高了。當然，過高的背壓將使得驅動腔的工作壓力增加，增加回路的能量消耗，同時增大回流的壓力損失，造成回路中油液溫度的增加。因此，在使用順序閥做背壓閥時應正確設定好壓力，一般工程應中在平衡掉負載力后，驅動腔壓力不超過1 MPa。

為研究這3種回路對交變負載的響應特性，圖17所示為在原本固定負載的基礎上疊加1個頻率為 1 Hz，幅值為40 kN的正弦波動的信號。

從圖17可以看出：3種回路的推進速度都隨著負載的變化而表現(xiàn)出相同的趨勢。使用順序閥背壓的回路在這種交變負載作用下表現(xiàn)最為穩(wěn)定，近似為正弦波動。而節(jié)流閥做背壓的回路在負載變化時的穩(wěn)定性比順序閥的稍差。使用平衡閥做背壓的回路在這種交變負載下，平均速度較其他2種回路的高，但存在著抖動現(xiàn)象且衰減較慢。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

5 結論

1) 建立了基礎振動下液壓鎖緊回路仿真模型，并且實驗驗證了該模型的正確性。

2) 在固定負載及負載變化在0~90 kN的情況下應優(yōu)先考慮單向節(jié)流閥背壓及順序閥背壓；對于交變載及負載變化大于100 kN的情況下應使用平衡閥 背壓。

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(編輯 楊幼平)

Selection method of hydraulic lock circuit counterbalance valve with foundation vibration

PAN Wenlong1, ZHANG Huailiang1, 2, WANG Weiping1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Focused on the impactof counterbalance valveon lock circuit’s dynamic characteristic in vibration environment, the simulation models for three kinds of lock circuits with the throttle valve, sequence valve and balance valve which are used as counterbalance valve were established, and experimentally verified. A curve was obtained showing the foundation vibration and load influence on hydraulic cylinder speed, by comparing the effects of counterbalance valve under the condition of no load, constant load and variable load on lock circuit’s dynamic characteristic. The results show that compared to using balance valve as counterbalance valve, using throttle valve and sequence valve has a better stability under the condition of vibration environment in constant load and with the variable load between 0?90 kN, but balance valve has better stability when alternate load and the variable load is larger than 100 kN. New method provides a reference for counterbalance valve selection in lock circuit.

back-pressure valve; locked loop; foundation vibration; selection; dynamic characteristic

TH137

A

1672?7207(2018)04?0839?09

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.010

2017?04?16；

2017?06?03

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB035400)(Project(2013CB035400) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

張懷亮，博士，教授，從事液壓動力學和摩擦學研究；E-mail：zhl2001@csu.edu.cn