調速閥的工作原理與使用要求

□ 徐成東

四川建筑職業技術學院 交通與市政工程系 四川德陽 618099

在定量泵供油的液壓系統中,用流量控制閥對執行元件的運動速度進行調節的回路稱為節流調速回路。節流調速回路是在工程機械、礦山機械、組合機床、壓力加工等領域應用較為廣泛的一種調速回路[1]。節流調速回路按流量控制閥位置的不同,可分為進油路節流調速回路、回油路節流調速回路、旁油路節流調速回路三種[2]。

1 節流調速回路分析

1.1 由節流閥構成的節流調速回路

由節流閥構成的進油路節流調速回路如圖1所示。這一回路使用定量泵作為動力元件,依靠改變流量控制閥開度的大小來改變進入執行元件的流量,進而改變執行元件的速度。定量泵多余的油液通過溢流閥流回至油箱,這是進回油路節流調速回路能夠正常工作的必要條件。由于溢流閥有溢流,因此泵的出口壓力為溢流閥的調定壓力,并基本保持定值[3]。

圖1 由節流閥構成的進油路節流調速回路

液壓泵的出口壓力設為pP,液壓缸無桿腔進油壓力設為p1。當負載F發生變化時,p1會發生變化,而pP不變,則節流閥的進出口壓力差Δp會發生變化。可見,在開度不變的前提下,節流閥的流量將發生變化,液壓缸的油液流速也將發生變化,最終使活塞的速度v發生變化。在由節流閥構成的節流調速回路中,液壓缸的速度受負載變化的影響很大,速度不夠穩定。此類回路只適用于工作負載變化不大,速度穩定性要求不高的場合[4]。

1.2 由調速閥構成的節流調速回路

由調速閥構成的進油路節流調速回路如圖2所示,調速閥由定差減壓閥和節流閥串聯而成。

圖2 由調速閥構成的進油路節流調速回路

節流閥進口油液壓力作用在定差減壓閥的a腔和b腔,面積分別為A1和A2。節流閥出口油液壓力作用在c腔,面積為A。調速閥工作時,減壓閥處于受力平衡狀態,則有:

p2A1+p2A2=p3A+Fs

(1)

由于A1、A2之和為A,化簡式(1),得:

p2-p3=Fs/A

(2)

式中:p3為液壓缸進油腔壓力;p2為節流閥進口壓力;p1為液壓泵出口壓力;Fs為定差減壓閥彈簧的調定壓力。

顯然,定差減壓閥的進口壓力為p1,出口壓力為p2。節流閥的出口壓力為p3,大小取決于負載F。

調速閥工作時,節流閥的進出口壓力差Δp為p2-p3,由定差減壓閥的彈簧調定壓力Fs決定。減壓閥閥心在工作過程中位移很小,即彈簧的壓縮量變化很小,且彈簧的剛度較小,因此可認為Fs不變。換言之,調速閥在工作過程中無論負載如何變化,節流閥進出口壓力差是不會變化的[5]。通過各類小孔的流量q為:

q=kATΔpm

(3)

式中:k為小孔流量因數,取決于小孔的結構、尺寸和流體特性等,一般認為是常數;AT為小孔的通流面積;m為壓差指數,取決于小孔的長徑比,一般取1/2～1。

由式(3)可知,對于調速閥而言,在節流閥通流面積不變的前提下,壓力差為定值,通過節流閥的流量也不會發生變化,即調速閥的流量不會發生變化。

綜上所述,相比節流閥,調速閥工作時具有自動調節功能,其流量不受負載的影響,具有穩定速度的作用[6-7]。因此,調速閥適用于執行元件負載變化大,對速度穩定性要求較高的系統[8]。

2 調速閥使用要求

2.1 最小壓差要求

調速閥之所以能夠穩定流量,是因為內部的定差減壓閥能夠保持節流閥兩端的壓力差不變,壓力差的大小取決于減壓閥的彈簧調定壓力。但是,當系統的負載所形成的壓力和液壓泵的工作壓力比較接近時,分配在調速閥上的壓力差必然很小,此時節流閥兩端的壓力差不足以克服減壓閥彈簧的調定壓力,減壓閥的閥心左移,減壓閥處于最大開度狀態。此時,減壓閥形同虛設,起不到維持流量穩定的作用。調速閥只能起節流閥的作用,無法適應負載的變化,速度也不穩定。可見,在設計液壓系統時,分配給調速閥的壓力差應略大于其最小值。一般情況下,調速閥壓力差最小值為0.5 MPa。只有當調速閥的進出口油液壓力差大于或等于0.5 MPa時,采用調速閥進行油路速度調節才能體現出調速穩定性好、速度剛性高的優點[9]。

2.2 壓差不宜過大

盡管調速閥能起到保持節流閥進出口壓差恒定的作用,從而穩定流量,但是當壓差過大時,調速閥的能量損耗將會增加。節流調速回路的進油路壓力損失分為兩部分,分別為定差減壓閥的壓力損失和節流閥的節流壓力損失。設定差減壓閥的壓力損失為Δpj,如前文所述,進油路總壓力損失為p1-p3,節流閥進出口壓力損失為p2-p3,于是有:

p1-p3=Δpj+Fs/A

(4)

變形得:

Δpj=p1-p3-Fs/A

(5)

由式(5)可知,當定差減壓閥的彈簧調定壓力不變時,分配在調速閥上的壓差越大,定差減壓閥帶來的壓力損失也就越大。在這種情況下,液壓回路的功率損失很大。盡管調速閥適用于負載變化范圍比較大的場合,但是壓差過大時回路效率很低。

2.3 調速閥不得反裝

調速閥只能正向安裝,不能反向安裝。如圖3所示,當調速閥反裝時,液壓泵輸出的壓力油先經過節流閥,再經過定差減壓閥,然后到達液壓缸。油液經過節流閥時,必然會產生壓力損失,此時液壓泵輸出油液的壓力大于減壓閥的進口壓力,也就是節流閥的進口壓力大于出口壓力。由于a、b兩個腔的受力面積之和等于c腔的面積,因此不難看出,作用在c腔的油液推力大于作用在a、b兩腔的油液推力。此外,減壓閥彈簧存在向左的調定壓力,減壓閥的閥心必然會向左移動至最大開度位置,減壓閥不再起減壓作用,調速閥只起節流閥作用,不具備穩定流量和速度的功能。

圖3 調速閥反裝時進油路節流調速回路

在一些場合,工作機構往復直線運動時需要實現節流調速且速度穩定,液壓缸也需要在活塞往復運動時進行調速且穩定流量。調速閥只能單向使用,如果在液壓缸的進油、回油路上均設置調速閥,那么回路的結構將會變得比較復雜,使用成本也會增加。由一個調速閥和四個單向閥構成的橋式整流油路如圖4所示。這一油路巧妙利用單向閥正向導通、逆向截止的功能,保證液壓缸活塞往復運動時都可以得到比較穩定的速度。活塞向右運動時,液壓源輸出的壓力油通過二位四通換向閥的左位、單向閥4、調速閥、單向閥2,可以到達液壓缸的左腔,此時回路為進油路節流調速回路。活塞反向運動時,液壓缸左腔的回油油液經過單向閥3、調速閥、單向閥1、換向閥的右位流回油箱,此時回路為回油路節流調速回路。

圖4 橋式整流油路

3 結束語

調速閥能夠保持內部節流閥兩端壓力差恒定,具有穩定流量和速度的作用,因此在節流調速回路和容積節流調速回路中應用廣泛[10]。在設計液壓系統時,應充分考慮負載大小及變化范圍、液壓泵額定壓力及額定流量、溢流閥調壓范圍、調速閥通流量之間的關系,合理分配流量和壓差。在使用過程中,也應根據負載的大小,合理調整溢流閥的工作壓力,使調速閥的壓差不低于最小值,并且不會因壓差過大而導致大量能量損失。