带压力反馈式流量放大阀流量特性分析

蔡 铮，张 建，冯贻江，许伯超

（1. 浙江高宇液压机电有限公司，浙江 临海 317000；2. 天津工程机械研究院有限公司，天津 300409）

转向液压系统是装载机中最为重要的系统之一，它直接影响整机的安全性、作业效率、能源消耗及操作舒适性［1-2］。流量放大阀在大中型装载机转向液压系统中有广泛应用。流量放大阀将转向器输出的先导控制流量按照一定的放大比例进行流量及功率放大，控制装载机转向机构运动。它具有能合理利用系统功率的优点，并且操纵平稳轻便、结构紧凑，已成为当前转向系统发展的主流方向［3-4］。但是目前装载机转向系统存在下述弊端：非转向工况下，装载机液压系统存在高压溢流，系统能耗大、温升高，工作效率降低；起动时刻振动、爬行振动、停止时刻振动等问题，导致装载机操作舒适性较差，同时转向系统还存在高低转速不一致的问题；装载机在高速行走时出现转向“发飘”等问题。

针对装载机转向系统现存问题，国内相关企业开发了新型的带反馈式流量放大阀［5-6］，可基本解决上述问题。本文针对该型号流量放大阀，通过仿真计算，分析其在变转速情况下的工作特性，并针对存在的问题进行改进，进一步提高产品的工作性能。

1 流量放大阀结构组成与工作原理

该流量放大阀工作原理图如图1所示，主要由主滑阀和三通流量补偿阀两部分组成，图2是流量放大阀的结构图。在主滑阀阀芯内部设置有负载敏感LS通道，将三通流量补偿阀弹簧腔与工作腔A/B接通。当转向器转动时，主滑阀阀芯往左/右换向，先导级控制口的负载压力通过负载敏感LS通道传递到三通流量补偿阀弹簧腔，补偿阀保持主滑阀阀芯节流槽前后压差恒定，从而使得输出流量只取决于主滑阀阀芯节流槽的开度，实现精准转向。

图1 流量放大阀工作原理图

图2 流量放大阀结构图

2 流量放大阀仿真模型建立

2.1 模型建立

运用AMESim软件搭建了流量放大阀的仿真计算模型，其中用HCD库搭建了流量放大阀中的滑阀阀芯及补偿阀阀芯，补偿阀PF出口通向工作系统。在这里用比例溢流阀来简化替代工作系统的负载，转向机构通过机械库及平面机构库来搭建，先导控制流量放大阀阀芯的转向器用小流量液压泵来替代，最终搭建的流量放大阀仿真计算模型如图3所示。

图3 流量放大阀仿真计算模型

2.2 参数设置

通过非全周开口滑阀阀口面积计算软件［7］计算出滑阀及补偿阀中各阀口的过流面积，各过流面积曲线如图4和图5所示，将面积参数保存为文本格式，导入到图3所建立的计算模型中。

图4 滑阀各阀口面积曲线

图5 补偿阀各阀口面积曲线

计算模型中其他各参数设置：

液压泵排量 60ml·r-1；

液压泵转速 2000r·min-1；转向负载压力 8MPa；

工作负载压力 5MPa；

转向器排量 125ml·r-1。

3 计算结果分析

参设置转向器从第2s开始，在接下来10s内其转速从0线性增大到70r/min，仿真时间设置15s，时间步长取0.01s，计算流量放大阀在不同转向器转速下的工作特性，结果如图6所示。

在图6中，图（a）为滑阀阀芯位移随转向器转速变化曲线。从图中可以看出，在转向器转速为2r/min时，滑阀开始运动，而在转向器转速从2～5r/min之间，阀芯位移迅速增大到2.4mm左右，在转向器转速达到65r/min时，滑阀阀芯达到最大值。从图（c）中可以看到，在这一阶段阀芯运动速度出现峰值，最大可达9.5mm/s，同样其加速度在这一阶段也存在从-500～700mm/s2这样较大幅度的波动，在这一阶段CF口的流量。从图（b）中可以看出，在转向器转速达到4r/min时，CF口开始有流量输出，在开始阶段流量同样增幅较快，随后变化较平缓，在转向器转速达到65r/min时，流量达到最大值120L/min。

图6 流量放大阀变转速计算结果

从上述分析可知，在转向器低转速时，流量放大阀中的滑阀阀芯运动速度、加速度波动较大，阀芯位移增幅较快，进而导致在转向器低转速时CF口流量变化较快，流量放大阀操作过于敏感。

4 结构改进及计算分析

上述计算分析流量放大阀在转向器不同转速下的工作特性及存在的主要问题，而通过结构图1可以看出，转向器输出流量对流量放大阀的滑阀阀芯运动控制规律主要取决于滑阀先导口的阀口面积大小及梯度变化规律，所以通过重新设计先导口的阀口形式来解决上述问题。

原结构中的先导口采用的是2个K型节流槽，密封行程1.7mm，如图7（a）所示，改进方案采用K+V的结构形式，密封行程改为1mm，如图7（b）所示。原结构及改进结构的先导口过流面积如图8所示。

图7 滑阀先导口改进前后阀口结构

图8 先导口阀口面积曲线

将改进后的阀口面积参数同样保存为文本格式，导入到图3中的计算模型中，计算流量放大阀在不同转向器转速下的工作特性，结果如图9所示。

图9 改进前后流量放大阀变转速计算结果

在图9中，图（a）为改进前后滑阀阀芯位移随转向器转速变化曲线。从图中可以看出，与改进前相比，改进后阀芯在低转速时位移虽然也存在较快的增加，但增加量明显减小，在随后随着转向器转速增加，其位移逐渐增加，但其斜率整体呈减小趋势。从图（c）的阀芯速度中可以看到，速度峰值从改进前的9.5mm/s降到6.5mm/s，降低了31%。而在图（d）的加速度曲线中可以看出，阀芯加速度峰值从700mm/s2降低到了400mm/s2，从改进前后的阀芯运动速度及加速度变化中可以得出，改进后阀芯在转向器逐渐增大过程中要运动相对平稳很多。在图（b）的流量曲线中可以明显发现，同样在转向器转速达到4r/min时CF口开始有流量输出，但在开始阶段流量不存在突变，一直平缓增加，增加速率先增大后减小，在转向器转速达到65r/min时，流量达到最大值120L/min。所以与改进前相比，改进后的结构在转向器低转速操作性能上有明显改善。

5 结束语

本文通过AMESim仿真软件搭建了装载机转向系统中流量放大阀的计算模型，计算了流量放大阀在转向器转速逐渐增大过程中的工作特性。计算结果表明，在转向器低转速时，流量放大阀中的滑阀阀芯运动速度、加速度波动较大，阀芯位移增幅较快，进而导致在转向器低转速时，CF口流量变化较快。通过对流量放大阀中先导控制节流槽进行结构优化，有效减小了流量放大阀在转向器低转速时的流量突变问题。