液压系统压力切换模式改进研究

许敏宇, 沈俊, 藏军

(中船重工第七〇 三研究所 无锡分部，江苏 无锡214151)

0 引 言

液压技术的快速发展给我国工程机械的研发奠定了技术基础。通过输入工程机械的整体设计要求，完成了对工程机械的主要装置和与其对应的液压系统的设计。受成本和体积的限制，工程机械多个机构动作的动力往往由同一个液压泵提供，很多场合通常选取恒压泵来提供动力，单个液压恒压泵提供多个机构动作的动力，并且这些机构动作的负载压力是存在差异的，而且同一个机构不同工况的负载压力也是存在差异的，这就需要根据不同负载调节恒压泵的压力输出。

如果不能根据不同的负载调节恒压泵的压力输出，就会出现泵出口的压力远大于执行机构运动负载所需压力的状况，这就会带来压力的浪费，根据功率等于压力与流量的乘积可知，会带来功率的浪费，明显不符合目前机械产品节能的发展趋势，所以有必要开展压力切换匹配工况负载压力的研究。

1 研究背景介绍

目前已开发出恒压功能的轴向柱塞泵[1]，具有节能、高效、大功率的特点，广泛应用在工程机械、工业动力站、航空航天等工业液压系统领域。泵输出的压力已经可以远程控制，通过特定的压力切换阀设置不同的压力切换值，使得泵输出的恒定压力可以切换。

该泵的具体原理如下[2]：当泵的出口压力未达到远程溢流的设定值时，柱塞泵的斜盘维持在最大角度，泵的排量保持最大值，当泵的出口压力达到远程溢流阀的设定值时，溢流阀卸荷，泵的出口压力被换向阀引入泵的排量控制缸，推动缸使泵的排量降到最低，泵保持恒压状态，即恒定在远程溢流阀的设定压力下，这种形式被称为远程控制恒压变量泵。

常见的远程控制方案是配置多级压力切换阀，是由一定数量的两位四通电磁换向阀和配套的溢流阀组成，每个电磁换向阀和溢流阀串联，连接泵的控制油口，电磁换向阀根据系统发出的电信号控制阀芯动作来引入压力油进入溢流阀，这些两位四通电磁换向阀和配套的溢流阀可以集成在一个集成块中，组成一个多级压力切换阀。

泵的控制油口直接连接多级压力切换阀的进油口P口，配置测压口MP、MT,分别用来检测P口和T口的压力，同时多级压力切换阀的T口和液压油箱连通。图1所示为多级压力切换阀的原理图，该阀的主要工作原理为：系统发出的电信号分别控制电磁阀X1a、X1b和X1c，并且决定溢流阀V1、V2和V3是否接入液压系统。溢流阀V1、V2和V3内部的弹簧力不同，对应不同的溢流压力，决定了系统不同的压力输出。

具体工作原理为：X1a电磁阀有输入电信号时，其余电磁阀保持待机，电磁阀X1a换向，泵压力控制口连接溢流阀V1，溢流阀V1接入系统，系统压力由溢流阀V1的溢流压力决定；在类似情况下，X1b电磁阀有输入电信号时，其余电磁阀保持待机，系统压力由溢流阀V2的溢流压力决定；X1c电磁阀有输入电信号时，其余电磁阀保持待机，系统压力由溢流阀V3的溢流压力决定；X1d电磁阀有输入电信号时，此时泵压力控制口封堵，相当于连接一个溢流压力无限大的溢流阀，此时系统压力由泵自带溢流阀决定。

通过采用上述多级压力切换阀，在整机液压系统的程序设定中，根据不同的动作机构及其所需压力的差异，程序设定不同的动作命令给予相对应的电磁换向阀换向信号，使得相对应的溢流阀接入系统起作用，实现恒压泵的压力切换功能，保证所需压力与提供压力最大程度上的匹配，实现能量节约的目的。

但是该多级压力切换阀也存在一定的缺点，比如当系统对应的执行机构较多，设置较多的电磁换向阀和溢流阀，会带来阀的体积和质量及成本的增加，或者压力需要精准调节，也不可避免地会带来上述问题，无法满足现如今越来越严格的产品节能和成本、体积、质量要求，必须抛弃现有的思路，开发新的方案以满足精准调压的要求，同时兼顾成本、体积、质量等要求。

图1 多级压力切换阀

2 改进方案介绍

针对多级压力切换阀的上述缺点，本文提出了一种无级压力切换阀用于克服其缺点，这种无级压力切换阀是根据输入信号来决定溢流压力的一种压力调节阀，该阀内部原理是输入的电流大小决定了内部阀芯的电磁力，而电磁力和泵的输出压力分别引入阀芯的两端，通过阀芯的运动达到阀芯的力平衡，即系统压力是随着输入电流的变化而变化的，达到一种平衡状态，从而实现泵的控制压力的无级调节。

图2所示是配置无级压力调节阀的液压系统，无级压力切换阀有4个油口，P为与恒压柱塞泵连接油口，MP为压力测试口，T为与液压油箱连接的油口，MT为其对应的测压口，通过将P口油压引入阀芯的端面，与输入电流的电磁力相互平衡，以此实现压力的变换。

相比于之前描述的多级压力调节阀，本文所述的无级压力调节阀的优点在于：抛弃了压力多级切换的思路，实现压力无级切换，能够满足越来越精细的压力调节需求，只需要改变输入调节阀的电流[3]，即可改变溢流压力，进而实现恒压柱塞泵的压力的变换，理论上可以满足任意压力的精准匹配，所以称之为无级压力调节阀。该阀能够实现压力与负载的完美吻合，最大限度地节约能量，同时体积、质量不到之前多级压力切换阀的1/4。

无级压力调节阀在压力变换过程中，系统的压力波动较小。从原理上来说，多级压力切换阀是通过切换不同的溢流阀来实现系统压力的切换，切换过程中是阶跃变化的，而无级压力调节阀是通过输入电流的变化，驱动阀芯的运动来实现压力的调节，压力调节过程相比阶跃变换来说，要平缓得多，所表现出的压力波动也比较小，有利于液压系统及机构的稳定。

图2 无级压力切换阀1.恒压柱塞泵2.液压油箱

3 结 语

无级压力切换阀应用于远程控制恒压柱塞泵，打破了原有多负载恒压液压系统多级压力调节的模式，压力可以实现无级调节，可以满足多种机构运动的压力需求，同时也能满足单一机构不同工况下压力的需求，最大限度地节约液压系统的能量，有利于整机的节能，同时在压力切换过程中，由于无级压力切换的压力是逐渐变化的，避免了之前多级压力切换阀压力的阶跃变化，压力波动也较传统的多级压力切换阀要小，有利于液压系统和运动机构的稳定。同时相比于多级压力切换阀，无级压力切换阀在体积、质量、成本上都有优势，从三个方面克服了之前多级压力切换阀的缺点，可以替代多级压力切换阀，适宜在需要压力切换的液压系统中推广使用。