液控单向阀在锁紧回路中的控制特性研究

2014-06-04苏沛群邓志辉张西良

机床与液压 2014年13期

苏沛群，邓志辉，张西良

(1.常州信息职业技术学院机电工程系，江苏常州 213164;2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013)

液压系统中的液控单向阀也称为“液压锁”，由于液控单向阀具有良好的闭锁性能、无泄漏、长时间保持液压缸锁紧定位等优点，广泛应用于锁紧回路、平衡回路和保压回路中。图1为内泄式液控单向阀的结构简图，当控制油口PK无压力油通过时，其功能与普通单向阀相同;当控制油口PK通入压力油时，控制活塞推动阀芯上移，使阀芯保持开启状态，油口PA与PB两腔相通，实现油液的反向流动。

图1 内泄式液控单向阀结构简图

在液控单向阀的应用回路中，经常用到为了克服液压缸运动过程中的速度不稳定或需要控制液压缸的运动速度而在回路中加设单向节流阀 (例加工中心换刀液压系统)。根据单向节流阀在回路中的安装位置不同，可分为单向节流阀处于液控单向阀与换向阀之间 (如图2)和单向节流阀处于液压缸与液控单向阀之间 (如图3)两种基本回路。文中以最常用的不带卸荷阀芯的内泄式液控单向阀为例，分析液控单向阀在锁紧回路中不同安装位置、不同负载方向的开启特性。

图2 单向节流阀处于液控单向阀和换向阀之间的锁紧回路

图3 单向节流阀处于液压缸和液控单向阀之间的锁紧回路

1 单向节流阀处于液控单向阀和换向阀之间的锁紧回路

由图2可知，液压缸在任意位置停留时，其活塞上所受到的两个方向的作用力应相等，忽略摩擦阻力等因素，则有:

式中:A1为液压缸无杆腔面积;

A2为液压缸有杆腔面积;

F为液压缸的轴向负载 (向右为正，向左为负);

p左腔为液压缸左腔压力;

p右腔为液压缸右腔压力。

设液压缸速比=φ，液压缸负载使无杆腔产生的压力=p，则式 (1)改为:F

1.1 无杆腔进油，有杆腔回油

当换向阀换至右位，液压缸向前 (活塞杆伸出的方向)运动时，与有杆腔出口相连的液控单向阀(图2中左边)需反向开启。若忽略液控单向阀阀芯及控制活塞的摩擦力、液控单向阀的弹簧力和阀芯的重力 (此3项都很小)，对图1液控单向阀阀芯进行受力分析可知，当油液反向流动时，阀芯的受力平衡表达式为:

式中:pK为液控单向阀的控制压力;

pA为液控单向阀反向进油腔压力;

pB为液控单向阀反向出油腔压力;

AK为液控单向阀的控制活塞承压面积;

AC为液控单向阀的单向阀阀芯承压面积 (阀座口的面积)。

设油液通过图2左边节流阀的压力损失为Δp;液控单向阀的=M，忽略流过液控单向阀和换向阀的压力损失。由图2可知:p右腔=pK，p左腔=pA，pB=Δp;代入式 (2)和式 (3)得阀芯的受力平衡表达式为:

从式 (4)可以看出:液控单向阀的控制压力pK不仅与负载F使无杆腔产生的压力pF有关，还与液控单向阀的结构参数M、液压缸的速比φ和回油阻力Δp有关。

通常情况下M＞φ，因此以下分析均以M＞φ为使用条件。

(1)当液压缸承受正向负荷 (活塞杆受压)时，则式 (4)为:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

因为液控单向阀反向开启前油液静止，所以Δp=0。

液控单向阀反向开启的必要条件为:

(M－φ)pK≥－φ×pF

无论pK(进油腔)多大，均能反向打开液控单向阀。

②液控单向阀开启后所需控制压力:

(2)当液压缸承受反向负载 (活塞杆受拉)时，则式 (4)为:

①液控单向阀反向开启的必要条件为:

②液控单向阀开启后所需控制压力:

1.2 有杆腔进油，无杆腔回油

当换向阀换至左位，液压缸向后 (活塞杆缩回的方向)运动时，与无杆腔出口相连的液控单向阀(图2中右边)需反向开启。

设通过图2右边节流阀的压力损失为Δp，忽略流过液控单向阀和换向阀的压力损失，对照图2可知:p左腔=pK，p右腔=pA，pB= Δp。代入式 (2)和式(3)得:

(1)当液压缸承受正向负载 (活塞杆受压)时:式 (7)则为:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

因为液控单向阀反向开启前油液静止，所以Δp=0。

液控单向阀反向开启的必要条件为:

②液控单向阀开启后所需控制压力:

(2)当液压缸承受反向负载 (活塞杆受拉)时:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

液控单向阀反向开启的必要条件为:

因为M×φ－1＞0，所以无论pK(进油腔)多大，均能反向打开液控单向阀。

②液控单向阀开启后所需控制压力:

2 单向节流阀处于液压缸和液控单向阀之间的锁紧回路

由图3可得，液压缸的平衡方程式同式 (1)。

2.1 无杆腔进油，有杆腔回油

当换向阀换至右位，液压缸向前 (活塞杆伸出的方向)运动时，与有杆腔出口相连的液控单向阀(图3中左边)需反向开启。设:通过图3左边节流阀的压力损失为Δp，忽略流过液控单向阀和换向阀的压力损失，对照图3可知:p右腔=pK，p左腔=Δp+pA，pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:

(1)当液压缸承受正向负载 (活塞杆受压)时，同理分析可知:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

(M－φ)pK≥－φ×pF

无论pK(进油腔)多大，均能反向打开液控单向阀。

②液控单向阀开启后所需控制压力

无论pK(进油腔)多大，均能使液控单向阀反向开启工作。

(2)当液压缸承受反向负载 (活塞杆受拉)时，同理分析可知:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

②液控单向阀开启后所需控制压力:

2.2 有杆腔进油，无杆腔回油

当换向阀换至左位，液压缸向后 (活塞杆缩回的方向)运动时，与无杆腔出口相连的液控单向阀(图3中右边)需反向开启。设通过图3右边节流阀的压力损失为Δp，忽略流过液控单向阀和换向阀的压力损失，对照图3可知:p左腔=pK，p右腔=Δp+pA，pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:

(1)当液压缸承受正向负载 (活塞杆受压)时，同理分析可知:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

②液控单向阀开启后所需控制压力:

(2)当液压缸承受反向负载 (活塞杆受拉)时，同理分析可知:

①液控单向阀反向开启的必要条件:

无论pK多大，均能反向打开液控单向阀。

②液控单向阀开启后所需控制压力:

无论pK多大，均能使液控单向阀反向开启工作。

从以上分析可知，液控单向阀安装位置不同，不影响反向打开液控单向阀的必要条件，但当液控单向阀打开工作时，单向节流阀处于液压缸和液控单向阀之间所需的控制压力要小于单向节流阀处于液控单向阀和换向阀之间的控制压力。

3 M、φ值对开启压力的影响

3.1 液控单向阀开启压力归纳

在忽略液控单向阀的弹簧力、液控单向阀阀芯及控制活塞的摩擦力和阀芯重力的前提下，以上分析可归纳为以下几点:

3.2 M、φ值对开启压力的影响

通常液压缸的φ取值范围为:φ=1.3～2.0;一般内泄式液控单向阀的M值范围为:M=2.5～3.5。

图4(a)为M值一定时，φ值变化对系数φ/(M－φ)的影响曲线;图4(b)为φ值一定时，M值变化对系数φ/(M－φ)的影响曲线。从图4(a)中可看出:当负载使无杆腔产生的压力pF和液控单向阀的结构参数M值一定时，随着液压缸速比φ的增加，系数φ/(M－φ)增大，开启压力随之增大，M值越小，影响越大。从图4(b)中可看出:当pF和φ值一定时，随着M值的增加，系数φ/(M－φ)减小，开启压力随之变小，速比φ越大，影响越大。当M值较小且φ值较大时，可使最大开启压力比pF值大约4倍。所以液压缸的速比和液控单向阀的结构参数可能对液控单向阀的开启压力产生较大的影响。

图4 φ、M值对系数φ/(M－φ)的影响曲线

(2)液压缸有杆腔进油，无杆腔回油且液压缸承受正向负载。由前面分析可知，打开液控单向阀的必要条件是:

图5(a)为M值一定时，φ值变化对系数φ/(M×φ－1)的影响曲线;图5(b)为φ值一定时，M值变化对系数φ/(M×φ－1)的影响曲线。从图5(a)中可看出:当负载使无杆腔产生的压力pF和液控单向阀的结构参数M值一定时，液压缸速比φ值越大，系数φ/(M×φ－1)越小，开启压力越小，但影响不大;从图5(b)中可看出:当pF和φ值一定时，M值越大，系数φ/(M×φ－1)越小，开启压力也越小。当M值较小且φ值也较小时，系数φ/(M×φ－1)较大，但最大开启压力也仅为0.58pF。

图5 φ、M值变化对系数φ/(M×φ－1)的影响曲线

比较图4和图5可知，系数φ/(M－φ)比系数φ/(M×φ－1)要大许多。

如果M＜φ，根据以上分析可知，在无杆腔进油、有杆腔回油且液压缸承受反向负载 (例立式液压缸的自重)时，无论控制压力pK升至多高，都无法反向打开液控单向阀，即液压系统无法正常工作。因此，在液压系统设计中，对于液控单向阀应用于液压机等液压缸速比较大的液压系统时，一定要核算所选的液控单向阀是否满足开启的必要条件，即使是能够满足开启条件的液压系统，为了避免液控单向阀的反向开启压力过大而造成系统能耗大、发热量大等问题，也一定要合理选择结构参数匹配的液控单向阀。如果所选内泄式液控单向阀不能满足开启条件或开启压力过大，应选用带卸荷阀芯的内泄式液控单向阀。