先導式主溢流閥功能特性的優化改造

■ 山東常林機械集團股份有限公司 （臨沭 276700） 黃華賓

溢流閥是一種液壓壓力控制閥。在液壓設備中主要起定壓溢流作用、穩壓、系統卸荷和安全保護作用，是液壓系統中核心零部件。主要有3種作用：①定壓溢流、穩壓作用。在液壓系統中，泵提供恒定流量，當系統壓力增大時，會使流量需求減小，此時溢流閥開啟，使多余流量溢回油箱，保證溢流閥進口壓力。當溢流閥串聯在回油路上時，溢流閥產生背壓，運動部件平穩性增加。②系統卸荷作用。先導式主溢流閥，在溢流閥的遙控口串接溢小流量的電磁閥，當電磁鐵通電時，溢流閥的遙控口通油箱，此時液壓泵卸荷。溢流閥此時作為卸荷閥使用。③安全保護作用。系統正常工作時，閥門關閉。只有負載超過規定的極限（系統壓力超過調定壓力）時開啟溢流，進行過載保護，使系統壓力不再增加。

1.問題描述

我公司生產的一種先導式主溢流閥，主要應用于30T挖掘機液壓系統中，當作卸荷閥、遠程調壓閥用。

對原有先導式主溢流閥的功能特性進行試驗檢測，曲線如圖1所示（綠色曲線為功能曲線），開啟點為30.4MPa，隨壓力增大逐漸開啟，在36.5MPa壓力點時完全開啟，從開啟點至完全開啟，整個壓力跨域6.1MPa。壓力在30.4～33.6MPa時，開啟緩慢，當壓力達到33.6MPa時，流量較先前突然變大，說明閥芯開啟提前，動作不靈敏，且在開啟過程中存在緩沖狀態，并且有明顯的流量沖擊。

該先導式主溢流閥安裝在挖掘機液壓系統上，反映出挖掘機動作不靈敏、定壓精度低等問題。當挖掘機動作時，遇到外力，壓力瞬時升高，不能迅速打開閥芯進行泄壓，對系統管路產生很大的影響。由于開啟點提前，閥芯開啟緩慢，會導致挖掘機挖掘無力、油溫升溫快和效率低等問題。

圖1 改善前功能曲線

低效率的挖掘機已不適合現代挖掘機追求高效節能的要求，該先導式主溢流閥不再適用挖掘機液壓系統，急需改善其功能特性，使之在系統中反應靈敏，定壓準確，操作舒適、靈敏。

2.工作原理

先導式主溢流閥安裝在整體閥上，主要有4種狀態，其工作原理如下所述。

（1）初始狀態。如圖2所示，當P口壓力小于主溢流閥的壓力值時，在彈簧力的作用下，所有零件均處于初始狀態，閥口關閉。壓力油流過閥芯的小孔B并被注入內部的A腔，使閥芯緊緊的壓靠在單向閥上。

（2）先導油路導通狀態。如圖3所示，當P口壓力高于主溢流閥的設定壓力時，P口壓力作用于錐閥上，克服彈簧的彈力，推動錐閥，油液流過節流孔B，通過錐閥孔D，最終流入R口。

（3）溢流狀態。如圖4所示，錐閥的開啟使A腔內的壓力迅速下降，在P口壓力的作用下，閥芯克服彈簧的彈力，向右運動，聯通P口和R口，實現溢流。

（4）先導增壓狀態。如圖5所示，當行走閥芯發生動作時，先導壓力通過PZ口進入，作用于調整座，使調整座向左運動，壓縮彈簧，增加彈簧預緊力，從而增加主溢流閥的設定壓力。

3.解決方案

先導式主溢流閥的結構如圖6所示。通過以上4種狀態進行大量的分析研究和試驗，發現影響功能曲線的狀態應為溢流狀態，即閥芯由密封到完全開啟的整個過程，其主要的影響因素應為閥芯（見圖7）、彈簧、單向閥（見圖8）和擋圈17、18構成的一組滑動移動。

液壓系統節流孔計算公式分析所述。

（1）細長孔流量公式：Q＝π·d4·Δp/（128μ·l）。其中μ為油液粘度，l為細長孔長度，d為細長孔直徑，Δp為流入部與流出部壓力差。

由細長孔流量公式可知，影響小孔流量的主要為細長孔φ0.5mm、長度尺寸20.5mm，因為細長孔長度尺寸與流量成反比關系，若想提高流量，只有通過減小細長孔長度來實現。

（2）圓環形間隙流量：Q＝π·R·δ3·Δp（1＋15ε2）/（6μ·L）。其中μ為油液粘度，L為間隙長度，Δp為流入部與流出部壓力差，e為偏心量，δ為（R－r）（R為外圓半徑，r為內圓半徑），ε為偏心率（ε＝e/δ）。

由先導式主溢流閥結構可知，閥芯與單向閥配合為圓環形間隙，流量通過圓環形間隙導通R口。根據圓環形間隙流量公式可知，兩件配合后配合長度與流量成反比，配合長度越長流量就越小。由此指明了改善方向，應改善圖6所示尺寸。綜合考慮，應對閥芯和單向閥進行改善，經過理論計算和試驗驗證，最終將閥芯和單向閥部分數據進行優化改善，優化后尺寸對比如附表所示。

圖2

圖4

圖3

圖5

圖6 先導式主溢流閥結構1.密封座 2、5.螺母 3.螺釘 4.閥座 5.螺母 6.螺栓閥座 7、9、20、22.O型圈 8、13.彈簧10.調整墊 11.濾油網墊 12.單向閥 14.閥芯 15、17、18.擋圈 16.濾網 19.錐閥 21.調整座

圖7 閥芯

圖8 單向閥

閥芯、單向閥更改前后實物外形對比如圖9所示。

按照改善后的尺寸進行多次試驗驗證，對先導式主溢流閥進行功能特性試驗，所得曲線如圖10所示。

由圖1 0可知，開啟點為32MPa，在壓力點34MPa達到最大流量140L/min，從開啟點到達到最大流量，壓力跨域2MPa，開啟迅速且定壓準確，使先導式主溢流閥功能特性得到很大的改善。

閥芯和單向閥尺寸優化對比表

圖9

圖10 改善后功能曲線

將改善后的先導式溢流閥裝配至挖掘機上，進行上機試驗，試驗反饋為挖掘機效率有了較大的提高，挖掘有力，手柄操作更加舒適、靈敏，油液升溫較慢。通過該改善，使挖掘機性能得到進一步的提升，提高了作業效率。

5.結語

以上試驗說明對先導式主溢流閥的改善是非常成功的，目前我司已對先導式主溢流閥優化完畢，并且已批量生產，投入市場應用。該先導式主溢流閥的改善，為其他形式的插裝閥提供了一種技術參考和改善思路，供其他類型插裝閥借鑒。