先導(dǎo)式主溢流閥功能特性的優(yōu)化改造

■ 山東常林機(jī)械集團(tuán)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(shè)備中主要起定壓溢流作用、穩(wěn)壓、系統(tǒng)卸荷和安全保護(hù)作用，是液壓系統(tǒng)中核心零部件。主要有3種作用：①定壓溢流、穩(wěn)壓作用。在液壓系統(tǒng)中，泵提供恒定流量，當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)，會(huì)使流量需求減小，此時(shí)溢流閥開啟，使多余流量溢回油箱，保證溢流閥進(jìn)口壓力。當(dāng)溢流閥串聯(lián)在回油路上時(shí)，溢流閥產(chǎn)生背壓，運(yùn)動(dòng)部件平穩(wěn)性增加。②系統(tǒng)卸荷作用。先導(dǎo)式主溢流閥，在溢流閥的遙控口串接溢小流量的電磁閥，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，溢流閥的遙控口通油箱，此時(shí)液壓泵卸荷。溢流閥此時(shí)作為卸荷閥使用。③安全保護(hù)作用。系統(tǒng)正常工作時(shí)，閥門關(guān)閉。只有負(fù)載超過規(guī)定的極限（系統(tǒng)壓力超過調(diào)定壓力）時(shí)開啟溢流，進(jìn)行過載保護(hù)，使系統(tǒng)壓力不再增加。

1.問題描述

我公司生產(chǎn)的一種先導(dǎo)式主溢流閥，主要應(yīng)用于30T挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中，當(dāng)作卸荷閥、遠(yuǎn)程調(diào)壓閥用。

對原有先導(dǎo)式主溢流閥的功能特性進(jìn)行試驗(yàn)檢測，曲線如圖1所示（綠色曲線為功能曲線），開啟點(diǎn)為30.4MPa，隨壓力增大逐漸開啟，在36.5MPa壓力點(diǎn)時(shí)完全開啟，從開啟點(diǎn)至完全開啟，整個(gè)壓力跨域6.1MPa。壓力在30.4～33.6MPa時(shí)，開啟緩慢，當(dāng)壓力達(dá)到33.6MPa時(shí)，流量較先前突然變大，說明閥芯開啟提前，動(dòng)作不靈敏，且在開啟過程中存在緩沖狀態(tài)，并且有明顯的流量沖擊。

該先導(dǎo)式主溢流閥安裝在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)上，反映出挖掘機(jī)動(dòng)作不靈敏、定壓精度低等問題。當(dāng)挖掘機(jī)動(dòng)作時(shí)，遇到外力，壓力瞬時(shí)升高，不能迅速打開閥芯進(jìn)行泄壓，對系統(tǒng)管路產(chǎn)生很大的影響。由于開啟點(diǎn)提前，閥芯開啟緩慢，會(huì)導(dǎo)致挖掘機(jī)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(jī)已不適合現(xiàn)代挖掘機(jī)追求高效節(jié)能的要求，該先導(dǎo)式主溢流閥不再適用挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)，急需改善其功能特性，使之在系統(tǒng)中反應(yīng)靈敏，定壓準(zhǔn)確，操作舒適、靈敏。

2.工作原理

先導(dǎo)式主溢流閥安裝在整體閥上，主要有4種狀態(tài)，其工作原理如下所述。

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

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

（3）溢流狀態(tài)。如圖4所示，錐閥的開啟使A腔內(nèi)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(yùn)動(dòng)，聯(lián)通P口和R口，實(shí)現(xiàn)溢流。

（4）先導(dǎo)增壓狀態(tài)。如圖5所示，當(dāng)行走閥芯發(fā)生動(dòng)作時(shí)，先導(dǎo)壓力通過PZ口進(jìn)入，作用于調(diào)整座，使調(diào)整座向左運(yùn)動(dòng)，壓縮彈簧，增加彈簧預(yù)緊力，從而增加主溢流閥的設(shè)定壓力。

3.解決方案

先導(dǎo)式主溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過以上4種狀態(tài)進(jìn)行大量的分析研究和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響功能曲線的狀態(tài)應(yīng)為溢流狀態(tài)，即閥芯由密封到完全開啟的整個(gè)過程，其主要的影響因素應(yīng)為閥芯（見圖7）、彈簧、單向閥（見圖8）和擋圈17、18構(gòu)成的一組滑動(dòng)移動(dòng)。

液壓系統(tǒng)節(jié)流孔計(jì)算公式分析所述。

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

由細(xì)長孔流量公式可知，影響小孔流量的主要為細(xì)長孔φ0.5mm、長度尺寸20.5mm，因?yàn)榧?xì)長孔長度尺寸與流量成反比關(guān)系，若想提高流量，只有通過減小細(xì)長孔長度來實(shí)現(xiàn)。

（2）圓環(huán)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(nèi)圓半徑），ε為偏心率（ε＝e/δ）。

由先導(dǎo)式主溢流閥結(jié)構(gòu)可知，閥芯與單向閥配合為圓環(huán)形間隙，流量通過圓環(huán)形間隙導(dǎo)通R口。根據(jù)圓環(huán)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(yīng)改善圖6所示尺寸。綜合考慮，應(yīng)對閥芯和單向閥進(jìn)行改善，經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終將閥芯和單向閥部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化改善，優(yōu)化后尺寸對比如附表所示。

圖2

圖4

圖3

圖5

圖6 先導(dǎo)式主溢流閥結(jié)構(gòu)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(diào)整墊 11.濾油網(wǎng)墊 12.單向閥 14.閥芯 15、17、18.擋圈 16.濾網(wǎng) 19.錐閥 21.調(diào)整座

圖7 閥芯

圖8 單向閥

閥芯、單向閥更改前后實(shí)物外形對比如圖9所示。

按照改善后的尺寸進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，對先導(dǎo)式主溢流閥進(jìn)行功能特性試驗(yàn)，所得曲線如圖10所示。

由圖1 0可知，開啟點(diǎn)為32MPa，在壓力點(diǎn)34MPa達(dá)到最大流量140L/min，從開啟點(diǎn)到達(dá)到最大流量，壓力跨域2MPa，開啟迅速且定壓準(zhǔn)確，使先導(dǎo)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(yōu)化對比表

圖9

圖10 改善后功能曲線

將改善后的先導(dǎo)式溢流閥裝配至挖掘機(jī)上，進(jìn)行上機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)反饋為挖掘機(jī)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(jī)性能得到進(jìn)一步的提升，提高了作業(yè)效率。

5.結(jié)語

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