采用外泄式提高先导式溢流阀的定压精度

2015-04-25李忠山张玉峰范久臣

机床与液压 2015年8期

李忠山，张玉峰，范久臣

(北华大学机械工程学院，吉林吉林132021)

在进口和出口节流调速回路中，由于溢流阀始终处于溢流的状态，使系统压力基本恒定，故进口和出口节流调速回路又称作定压式节流调速回路。在使用QCS003 实验台进行进口和出口节流调速回路的教学实验时，虽然节流阀起到了调速的作用(溢流阀溢流)，但是系统压力随液压缸的运动速度的变化有很明显的改变，只有节流阀开度很小(液压缸运动速度很低)时，系统压力才接近溢流阀调定的压力，使实验操作困难，并影响学生对知识的正确理解。由于溢流阀的压力是在泵输出全部流量下调定的，当液压缸运动时溢流阀的流量会减小，液压缸运动速度越大，溢流阀的流量越小，系统压力就变得越低，如果压力的变化较大，说明溢流阀的压力受其流量变化的影响较大，即溢流阀的定压精度低。

1 解决方案

定压精度是溢流阀静态性能的一项重要指标，其启闭特性曲线可以反映出溢流阀的定压精度情况。已经有多篇论文对先导式溢流阀的静态性能进行了论述和分析［1－5］，但是无论是结构上还是理论上的分析，都是在先导阀的回油直接接回油箱(外泄式)的情况下进行的，而实际使用的先导式溢流阀是內泄式的。QCS003 实验台上使用的溢流阀是Y1-10B 型先导式溢流阀，其结构见图1。

图1 Y1-10B 先导式溢流阀结构简图

Y1-10B 型先导式溢流阀的先导阀的回油流经主阀口的下腔，由于主阀口的直径大于下节轴孔的直径，使先导阀的回油对主阀阀芯可能产生使主阀开启的力，加上先导阀回油流动状态的突然改变，会对主阀阀芯产生一定冲击和扰动。虽然回油的压力和流量都很小，但是由于主阀阀芯的弹簧很软，先导阀的回油很有可能对主阀阀芯的工作状态产生影响，进而影响溢流阀的定压精度。所以决定把溢流阀改为外泄式来消除先导阀回油对主阀芯的影响，提高溢流阀的定压精度。

2 内泄式与外泄式两种情况下的启闭特性试验

为了验证方案的可行性，利用QCS003 实验台对溢流阀进行内泄式和外泄式两种情况下的启闭特性试验(油温为(40 ±2)℃)。试验回路见图2 (QCS003实验台的部分回路)。

图2 试验回路

2.1 内泄式时的启闭特性试验［6］

旋松溢流阀3 的调压手柄，启动液压泵1，调节溢流阀3 使压力表2 的示数为7 MPa，打开换向阀4，调节被试溢流阀6 的调压手柄，使压力调到溢流阀6的额定压力6.3 MPa，并锁紧调压手柄。关闭溢流阀3，测出流过溢流阀6 的试验流量，然后，调节溢流阀3，改变被试阀6 的进口处压力，开始时每降低0.05 MPa 测量一次流量，到6.1 MPa 以后每降低0.1 MPa 测量一次流量，到溢流阀断流时为止。根据数据描点画出溢流阀6 的闭合曲线。把压力调低一些，然后再升压，当溢流阀6 的出口刚出现线流时开始记录数据，尽量取与测量闭合过程中相同的压力点测出流量。

2.2 外泄式时启闭特性试验

把溢流阀6 改为外泄式，重复内泄式时的试验过程，并取和内泄式试验时一样的压力点，每个压力点下都分别测出主阀的流量和先导阀的流量。

3 试验数据整理和分析

外泄式的主阀流量与相同压力下先导阀的流量之和为外泄式溢流阀在该压力下的总流量，将试验数据整理成表1。

表1 启闭特性试验数据

3.1 外泄式时溢流阀的启闭过程分析

先导式溢流阀的工作原理是［7］:由于先导阀的开启，使主阀芯上的阻尼孔有油液流动，从而使主阀芯上产生压差，当阻尼孔的流量增加到一定值时，压差产生的力大于主阀芯的弹簧力和摩擦力，使主阀芯开启。结合表1 来看，溢流阀主阀的开启和关闭过程:在溢流阀进口的压力逐渐升高过程中，当压力为6.13 MPa 时，先导阀的流量为515 mL/min，主阀阀芯刚开启，这时阻尼孔的压降对主阀阀芯产生的力刚能克服主阀受到的弹簧力和主阀芯受到的摩擦力，使主阀芯动作，随着压力升高，先导阀开口面积增大，使阻尼孔的流量增大，对主阀阀芯的力增加，使主阀开口面积增大，进而使主阀芯的流量增大;在溢流阀进口压力降低的过程中，与开启的过程相反，当压力降到6.1 MPa 时，先导阀的流量为500 mL/min，主阀阀芯受到的弹簧力大于阻尼孔的压降对主阀阀芯所产生的力与阀芯受到的摩擦力的和，使主阀阀芯关闭。

3.2 对溢流阀的开启压力和闭合压力的影响

溢流阀的流量为实验流量 (此次试验6.48 L/min)的1% (即0.065 L/min)时所对应的压力，为溢流阀的开启压力或闭合压力［6］。表1 中的数据显示:采用内泄式时溢流阀的开启压力和闭合压力小于采用外泄式时溢流阀的开启压力和闭合压力(采用外泄时溢流阀的开启压力为5.75 MPa 左右，闭合压力也高于5.7 MPa;采用内泄时溢流阀的开启压力为5.65 MPa，闭合压力为5.6 MPa 左右)。这是先导阀受到溢流阀出口背压影响的结果。由溢流阀的结构可知，在不计摩擦力和液动力的情况下，采用内泄式时溢流阀调定的压力是由先导阀的弹簧力与溢流阀出口背压对先导阀阀芯产生的力的合力来决定的，而出口背压对先导阀阀芯的作用力是随着溢流阀流量的增大而增大的;采用外泄式时，溢流阀的调定压力只由先导阀的弹簧力决定。在调定压力相同的情况下，采用外泄式时先导阀弹簧的压缩量大于采用内泄式时先导阀弹簧的压缩量，从而影响溢流阀的开启压力和闭合压力。

3.3 外泄式和内泄式两种情况启闭特性对比分析

为了便于比较，把两种情况下测得的数据生成曲线，并转化成百分比的形式，如图3 所示。

从图3 可以看出以下信息:

图3 外泄式与内泄式特性曲线

(1)在相同的压力下，采用内泄式溢流阀的流量明显大于采用外泄式溢流阀的流量。也就是在相同压力下，采用内泄式时主阀的开口面积大于采用外泄式时主阀的开口面积，这说明了先导阀的回油对主阀的工作状态有影响，尤其是在压力高于额定压力的96% (即6.05 MPa)时，主阀口的流量明显加大。以上现象表明先导阀的回油对主阀阀芯有影响，影响的结果是使主阀阀芯趋于开启。

(2)采用内泄式时的开启曲线和闭合曲线分开的距离较大，即不灵敏区大［8］，采用外泄式时不灵敏区很小。这说明采用外泄式可以减小溢流阀的黏滞性，提高溢流阀的灵敏度。

(3)流量压力特性得到改善。采用外泄式的情况下，溢流阀的流量变化试验流量的83%时，压力变化了额定压力的0.8%，流量变化88%时，压力变化了2%;而采用内泄式的情况下，流量变化20%时，压力降低了1%，流量变化50%时，压力降低了2%，流量变化83%时，压力降低了3.5%。由此可以看出，对于相同的流量变化量，引起溢流阀进口压力的变化量，采用外泄式的比采用内泄式的要小，即先导式溢流阀采用外泄式的定压精度比采用内泄式的定压精度高。