关于先导式溢流阀动静态特性研究

张笃增

（莱芜钢铁冶金生态工程技术有限公司，山东 莱芜271105）

1 先导式溢流阀的简要概述

所谓溢流阀，其实质上是一种液压压力控制阀，在液压系统中扮演着重要角色，不仅对系统起到保护作用，还能够为定量泵系统提供过载保护。因此，溢流阀主要包括两种形式，一种是直动型溢流阀；另一种是先导式溢流阀。本文主要以先导式溢流阀为主要分析对象，详细探讨了先导式溢流阀动静态特性，从而使溢流阀内部系统得到优化，有效提高了溢流阀安全可靠性。

1）先导式溢流阀的作用。作为液压系统中的安全阀，一旦系统压力超过溢流阀时，先导式溢流阀便能够对其进行适时调压，实现对系统的保护。除此之外，先导式溢流阀还能保护定量泵系统，实现远程调压的功能。

2）先导式溢流阀的技术措施。由于先导式溢流阀很容易出现腐蚀、磨损等情况，因此就要求主阀芯是带圆弧的平端锥阀结构，还要确保主阀的锥角保持最小，而阀芯锥角要比阀座锥角大；主阀口要选用两级节流口结构，这样就可以避免气穴受到严重危害；主阀芯、阀套以及阀体等部位应选用硬度高的材料，从而确保工作的稳定性；阀口处对材料的硬度有一定限制，材料的硬度越高，阀口的抗拉丝侵蚀的能力便会越强，因此，阀口处应选择适宜的材料进行配对。另外，要在主阀口处设置固定的节流孔，避免发生气蚀现象。

2 先导式溢流阀的结构原理分析

图1 先导式溢流阀的结构

从图1可以看出，当油液一旦进入溢流阀X处时，先导阀和主阀一般会处于关闭状态，这主要是导阀弹簧和主阀弹簧共同作用的结果。但油液进入到螺杆上的阻尼孔，便很快流入溢流阀Y处，如果导阀处于打开状态，则油液作用在螺杆上的力要比导阀的弹簧力大。如果让主阀处于打开状态，且油液会通过先导阀流出回油箱，则主阀后腔压力相应缩小才会产生溢流现象。

3 先导式溢流阀的静态特性分析

1）主阀阀口节流方程。

主阀阀口节流方程式可表示为 Q1=C1DZsinα1·h1。式中：Q1为主阀芯溢流量；C1为主阀阀口的流量系数；DZ为主阀口的直径；α1为主阀芯半锥角；h1为主阀芯开口量；px0为主阀开起时进油口的压力。

2）主阀芯受力平衡方程。主阀芯受力平衡方程可表示为 AXpx0=AγPγ+K2X2+Fs1∓F.f。式中：AX为主阀前腔承压面积；Aγ为主阀后腔承压面积；K2为主阀弹簧刚度；X2为主阀弹簧预压缩量；Fs1为主阀中的稳态液动力；F.f为则为主阀芯摩擦力。

3）阻尼孔节流方程。将阻尼孔节流方程表示为Q4=。式中：Q4为开启压力时的溢流量；ρ为油液的密度；v为油液的运动黏度；d4为阻尼孔的直径；l4为阻尼孔的长度；α4为阻尼孔的面积，Px0和Py0为阻尼孔前、后腔的压力。

4）导阀阀口节流方程。导阀阀口节流方程可表示为Q4=C2πDdsinα5h5。式中：Q4为导阀阀口溢流量；C2为导阀阀口的流量系数；Dd为导阀座的平均直径，Dd=D7-D5；α5为导阀半锥角；h5为导阀开口量；px0为导阀前腔的压力。

5）导阀受力平衡方程。可将导阀受力平衡方程式表示为Kf（6xf6+h5）=Px0A3X+AdPγ0-Fx5。式中：Kf为导阀的刚度；xf6为导阀弹簧预压缩量；A3X为螺杆在前腔的面积；Ad为导阀座的过流面积，Ad=π［/4（-）］；Fx5为导阀上的稳态液动力。同时为了确保先导式溢流阀的启闭性能，需要符合公式≥0.85，才能使先导式溢流阀拥有良好的起闭特点，才能充分发挥其优势。

4 先导式溢流阀的动态特性分析

以先导式溢流阀的结构原理为依据，先导式溢流阀的动态特性主要体现在常用压力和时间两方面的内容，也就是溢流阀在压力瞬时突变的过程中所展现出的一种性能。其中，主要包括响应的时间、升压的时间等多个方面。因此，先导式溢流阀的动态特性的好坏直接决定了溢流阀的性能。如图2所示，它就是从相应的软件库中选择适宜的元件，实现先导式溢流阀模型的搭建。

图2 先导式溢流阀仿真模型

由于先导阀芯受力主要作用其液压力、黏性摩擦力、瞬态液动力等多个力方面，因此，可将其受力平衡的方程列为。式中：P1为先导阀的进口压力；A3为先导阀的阀芯面积；m1.为质量；fx为阻尼系数；K1为调压弹簧刚度；X0为弹簧预压缩量；Kx为稳态液动力等效当量弹簧刚度；KLx为瞬态液动力黏性阻尼系数。

4.1 先导式溢流阀中阻尼孔直径的影响

图3为先导式溢流阀中不同阻尼孔的动态特性曲线。

从图3可以看出，阻尼孔的直径分别为0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm，而仿真时间为0.1 s时，所显示的先导式溢流阀的动态特性。当阻尼孔直径为0.4 mm时，主阀压力回升的时间最长，而压力超调量则较小。而当阻尼孔直径为0.6 mm时，压力回升的时间为0.04 s；而当阻尼孔直径为0.8 mm时，压力超调量29%，压力回升时间为0.03 s。由此可见，不同阻尼孔直径大小直接影响了先导式溢流阀的动态特性。

图3 先导式溢流阀中不同阻尼孔的动态特性曲线

4.2 先导式溢流阀中导阀入口容积的影响

导阀阀座孔的直径一旦受到改变，则很容易使导阀入口容积也就随之发生变化。所以，分别选取导阀阀座孔为3 mm、4 mm、5 mm的直径，用来研究导阀口对主阀进口压力和导阀进口流量的影响。详情见图4。从图4中可以看出，导阀容积对主阀进口的压力影响不明显，但对导阀入口流量有很大影响，几乎成正比关系。

图4 导阀入口容积的影响

5 结语

综上所述，先导式溢流阀在液压系统中扮演着重要角色，同时对于液压系统具有一定的保护作用。因此，本文分析先导式溢流阀的动态特性和静态特性具有重要的实际意义。从文中可以发现，先导式溢流阀的动态特性不仅对于阻尼孔直径有着较大影响，还对导阀入口的流量具有较大影响，尤其是对于阀芯的质量有着深远影响。总之，只有详细了解并掌握先导式溢流阀的动静态特性，才能采取有效措施，不断优化液压元件的性能，为先导式溢流阀的质量要求提供强而有力的参考依据，同时还能有效确保溢流阀的安全可靠性，从而满足更多工业制造领域的需求，尤其是电子制造业和机电专业等，从而推动科技的发展，促进社会经济的快速发展。

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