礦用負載敏感系統閥前補償抗流量飽和技術研究

常映輝,周杰

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006；3.山西天地煤機裝備有限公司，山西太原 030006)

0 前言

礦山機械工作通常不是一個簡單的運動，往往需要多執行機構復合運動來實現。一般復合運動時會有不等的負載，而液壓泵的壓力只能和最大的負載相適應。而多負載協同動作的實現主要有兩種方式：(1)通過負載敏感回路中的壓力補償閥控制換向閥閥口壓差；(2)通過壓力補償閥對閥口壓差進行補償。而壓力補償閥在最大負載回路中不起補償作用，只有在小負載的控制回路才可以利用壓力補償閥進行補償。

當采用前置壓力補償閥，即壓力補償閥的位置布置在多路閥前，控制換向閥壓差時，當系統流量不能滿足多個執行器需求的時候，壓力補償閥便會失去作用，油液會優先供應負載低的液壓回路，速度取決于流量，負載高的執行元件的運動速度便會減小直至停止。

另一種采用后置壓力補償閥，壓力補償閥布置在多路閥與執行機構之間，當系統流量不能滿足多個執行器需求的時候，負載值不同的多路閥會同時由補償閥進行補償，使得換向閥前后壓差保持一致。但是前置補償閥和后置補償閥都需要調壓彈簧來設定壓力，如果調壓彈簧磨損，主閥口的設定補償壓力值便會隨著改變，從而影響主閥所通過的流量。因此本文作者提出一種不適用調壓彈簧的壓力補償閥，來解決此問題。

1 閥前補償分析

閥前補償工作原理如圖1所示。

圖1 前置補償原理

礦用設備在實際工作時會有多個負載，文中假設2個負載可以說明技術原理，令>，因此系統最大負載為，并通過梭閥反饋給變量泵上的Ls閥，變量泵上的設定壓力一般是2～2.5 MPa。這里取系統壓力為

=+2.5

補償器設置在主閥芯前端，2個主閥的閥前壓力分別為和，則控制閥前后壓差為

Δ=-Δ=-

對于小負載的控制回路就需要利用壓力補償閥進行補償，壓力補償閥產生壓力降為

Δ=-

一般情況下，每一聯多路閥上壓力補償器的設定壓力是相同的，并且是一個固定值，因此：

Δ=Δ

各回路的流量：

式中：為流量系數；為通流面積；為密度。

從式中可以看出各回路的流量與換向閥的通流面積和兩端的壓差成比例。

為保證每個執行機構都能正常工作，系統壓力必須保證最大負載對應的壓力補償器正常工作。但在負載保持不變的情況下，不管哪個負載需要的流量增加都會影響系統壓力，導致壓力下降。系統正常工作時，各個回路的流量都可以通過多路閥的開口量實現改變。當系統壓力下降到不能滿足最大負載對應的壓力補償器正常工作時，這時最大負載回路上的壓力補償器失效，對于該回路已經無法通過改變多路閥的開口量來進行調速，此時的變量泵已經達到最大排量相當于定量泵。此時負載的動作可以分為3種情況：

大負載回路流量需增加，小負載回路流量不變，大負載回路多路閥閥口繼續增大，該回路執行機構速度保持恒定；

小負載回路流量需增加，大負載回路流量不變，由于小負載回路上壓力補償器正常工作，增大該回路多路閥的開口量，負載速度會增加。由于此時泵為定量泵狀態，小負載回路流量增加，大負載回路流量就會減少，導致大負載回路上的執行器速度減慢甚至停止運動；

大、小負載回路流量同時需增加，系統優先滿足小負載回路所需流量，小負載速度會增加，大負載回路中流量減少，執行機構的速度就會減慢甚至停止運動。

2 改進后閥前補償技術分析

本文作者提出的改進后閥前補償工作原理如圖2所示。

圖2 改進后前置補償工作原理圖

令>，因此系統最大負載為，并通過梭閥反饋給變量泵上的Ls閥，系統工作時，補償器上靜壓平衡，因此：

Δ=-

Δ=-

整理可得：

系統壓差-為泵上的負載反饋調定壓力，一般設定為定值，與前述一樣設定為2.5 MPa，從式中可以看出換向閥兩端的壓差與系統壓差成比例，而且不同換向閥上的壓差是相等的。

補償器的閥芯設計完成后，閥芯處和尺寸就確定，首先可以保證換向閥兩端的壓差恒定，出口流量與主閥芯位移成比例。與閥后補償器的功能一樣，當系統流量不能滿足執行機構同時動作的情況下，整個系統壓差會減小，換向閥兩端的壓差成比例地減小，但是換向閥兩端的壓差依然恒定。

設計的壓力補償器不采用彈簧結構，靠系統壓力和最大負載壓力實現兩端的壓差為定值。改變壓力補償器閥芯的尺寸，就可以調整換向閥兩端的壓差和系統壓差的比例。

3 仿真分析

利用仿真軟件對所設計的壓力補償閥進行分析，仿真原理如圖3所示，模擬驅動油缸回路，壓力補償閥設置在主閥前端，控制主閥進出口的壓力差，回路上的油液通過壓力補償閥后進入主閥，由主閥控制油缸動作。

圖3 壓力補償閥仿真原理

仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

壓力補償閥的閥芯設計完成后，閥芯處和尺寸就確定，主閥口兩端的壓差與整個系統壓差-成比例，仿真時設定-為2 MPa，圖4展示了不同面積比時主閥口兩端的壓力差?？梢钥闯?面積比分別為1、0.8和0.5時，主閥口的壓差-分別為2、1.59和0.99 MPa，因此改變壓差補償器的閥芯尺寸，就可以改變主閥口兩端的壓差，并且保持恒定。

圖4 不同面積比時主閥口兩端壓力差 圖5 系統壓差改變時主閥的流量

仿真時壓力補償閥的閥芯面積比不變，模擬系統壓差減小時，主閥的輸出流量如圖5所示。

從圖5中可以看出：系統壓差-為2 MPa時，主閥的輸出流量為100 L/min，系統壓差減小到1.5、1 MPa時，主閥的輸出流量分別為87.5、71.4 L/min，這與理論計算一致。而且隨著系統壓差的減小，主閥的輸出流量仍然穩定，不會導致負載停止動作。

4 結論

閥前補償和閥后補償都采用調壓彈簧進行壓力補償，閥前補償可以保證主閥進出口壓差恒定，而且具有一定的流量穩定范圍，當流量出現飽和狀態時，流量會優先供給小負載，而不是再按各主閥開口面積來分配流量，使較大負載失去了控制，速度降低甚至減小，進而影響復合動作的正常進行。通過閥后間接補償也可以保證多路閥進出口壓差恒定，當流量飽和時，通過同時減小各主閥兩端的壓差來實現抗流量飽和，從而確保無論在什么工況，多路閥通過流量僅與主閥開度有關而保持原來的比例不變。

新設計的補償閥不采用調壓彈簧，減少彈簧磨損對主閥流量準確性的影響，而且壓力補償閥設置在主閥芯前端，但是具有和閥后補償同樣的功能，實現了具有前置式壓力補償器的負載敏感多路閥的流量抗飽和能力。