一种新原理液压平衡阀的性能分析

石和村，姚平喜

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024)

引言

液压平衡阀是如今工程机械中使用广泛的重要液压元件[1]，是平衡回路重要的组成部分[2-5]，通过产生背压防止负载重物失速下滑，达到保证动作平稳和安全的目的[6-8]。液压平衡阀的工作原理是利用油液流过阀口产生压差来平衡液压缸下腔的背压[8]和重力负载。传统的平衡阀阀口的大小是预先调好的，为了平衡最大负载，阀口开口较小。在轻载或空载情况下，就会使控制压力很高。为此发明了一种自动适应负载变化的液压平衡阀[9]，该阀可较好地满足负载变化，但当通过节流口的流量发生改变时，所产生的背压也会跟着变化，为此进一步发明了一种自动适应负载变化与流量变化的液压平衡阀[10](以下简称新原理平衡阀)。该阀能够实现下面的3种功能。

(1) 负载补偿功能：当负载发生变化时，负载控制活塞推动阀芯移动，改变可变节流口的大小从而保证背压与负载匹配；

(2) 流量补偿功能：当流量发生变化时，流量控制活塞控制阀芯的位移，实现背压与负载的匹配；

(3) 降低控制压力功能：当流量、负载在较宽的范围内变化时，保持平衡阀的控制压力处于较小的定值。

1 新原理平衡阀工作原理及特点

1.1 结构原理

平衡阀结构及其在平衡回路中使用原理[11]如图1所示，新原理液压平衡阀由液控单向阀1、流量检测阀3(固定节流口)、可控节流阀4(开口大小受负载控制活塞和流量控制活塞的控制)以及提升用单向阀2组成，可变节流阀开口大小受负载控制活塞和流量控制活塞的控制。

1.液控单向阀 2.单向阀 3.流量检测阀 4.可控节流阀 5.流量控制活塞 6.负载控制活塞图1 自动补偿流量变化且适应负载变化的平衡阀

新原理平衡阀主要在可控节流阀的设计，从原理验证的角度分别设计流量检测阀和可控节流阀。通过改变流量检测阀固定节流口和自适应节流阀阀芯的开口大小，可以使平衡阀适用性更广，方便实验测试，可控节流阀结构如图2所示。

1.左端盖 2.活塞 3.阀体 4.可控节流阀芯 5.大弹簧座 6.大弹簧 7.小弹簧座 8.小弹簧 9.右端盖图2 自适应可控节流阀结构

针对图1中换向阀的3个位置，新型平衡阀可实现3种不同的功能。

(1) 负载起升功能：当换向阀处于右位工作时[3]，压力油从入口进入新原理平衡阀，此时单向阀打开，压力油从单向阀流入液压缸下腔，这个阶段可以实现负载起升功能；

(2) 负载保持功能：当换向阀位于中位工作时[3]，系统处于卸荷状态，此时单向阀、液控单向阀阀芯被紧压在锥面阀口上[11]，处于关闭状态，此时压力油泄漏量很少，可以忽略不计，与此时液压缸可以使负载处于长时间保持功能；

(3) 负载下降功能：当换向阀处于左侧位置时，这个时候负载处于下降状态，压力油会流入液压缸的上腔，液控单向阀在油压的推动下被打开，负载产生的压力作用在负载控制活塞的左端，与此同时，当压力油通过流量检测阀时，此时流经流量检测阀F处压力作用在流量控制活塞的右端，流经流量检测阀3的G处压力作用在流量控制活塞左端，可控节流阀芯在负载控制活塞和流量控制活塞共同作用下向右运动，使此时产生的力与弹簧力相平衡，现阶段的可控节流阀芯处于设计的特定位置上，通过理论设计特殊的阀芯开口面积与结构，使阀芯的开口面积符合阀芯位移曲线，刚好使此时产生的背压和负载保持平衡状态，与负载的变化相适应，这时液压缸下腔的油液经过液控单向阀流经可控节流阀 ，最终流入油箱；当流量发生变化时，经过流量检测阀的F，G处压力发生变化，从而使流量控制活塞左右两端的压力产生变化，当流量增大时，推动流量控制活塞向左运动，从而增大节流阀阀芯开口面积，实现流量变化的自动适应。

1.2 功能实现

新原理平衡阀在系统中功能实现过程如下：负载增加，通过负载控制活塞减小可控节流阀的阀口开口面积的大小，流体通过可控节流口产生的背压增加，与负载平衡；当负载减小，可控节流阀的阀口开口面积加大。当流量增加时，通过流量检测阀的流量增加，流量检测阀两端的压差增加，在流量控制活塞的作用下，使可控节流阀的阀口面积加大；反之，当流量减小时，可控节流阀的阀口开口面积减小，从而实现背压与流量变化的自动匹配。

1.3 流量检测环节的设计

平衡阀F，G处的压力是由流量通过流量检测阀的时候的产生，新原理平衡阀流量检测阀的流量公式为:

(1)

式中,QL—— 通过节流口的流量，L/min

d—— 孔径，m

l—— 通流长度，m

Δp—— 压差，MPa

η—— 液体黏度，Pa· s

图3所示为通过流量检测阀的流量与两端压差的关系，合理设置的流量检测阀参数，可以为流量控制活塞的设计提供依据。这里按额定流量通过时，取压差为0.4 MPa设计。

图3 流量与流量检测阀两端压差之间的关系

1.4 可控节流阀阀口的设计

图4为阀芯位移和节流阀芯开口面积的关系，由图4可知，可控节流阀芯位移和开口面积之间的关系如曲线y1所示，为计算方便，可将实际阀芯面积曲线近似看成近似阀芯面积曲线y1和近似阀芯面积曲线y2，在阀芯从初始位置X为0移动到3 mm的过程中，节流阀阀芯面积随位移的增加，变化较快，但是阀芯从X为3 mm到10 mm的过程中随阀芯位移的增加，阀芯开口面积变化较慢，为了减少前半段阀芯位移大幅度的变化从而引起调节的误差，从而采用串联弹簧代替单一弹簧的模式，在串联弹簧的作用下，减少X从0～3 mm的斜率，让阀芯在前后段的位移变化处于定值，从而使可控节流阀拥有更好的调节性能。

图4 阀芯位移和节流阀芯开口面积的关系

图5为采用串联弹簧后，节流阀口理论面积和实际面积的对比，虚线为理论上节流阀口开口面积随阀芯位移变化，实线为实际节流阀芯开口面积随阀芯位移变化。

图5 节流阀开口实际面积与理论面积对比

1.5 功率损失分析

新原理平衡阀与传统的平衡阀相比，能量损耗较少，因为传统的平衡阀是通过最大负载的情况来调节压力的，即使是在较小的负载下运行时，也会有较大的控制压力，这样造成的很大的能源损耗。而且当负载不变时，如果通过更大的流量，就会产生更大的背压，液压缸上腔压力此时会相应增加；如果流量减少时，这时候产生的背压就会因无法匹配负载造成液压缸失速下滑。而新原理平衡阀的优点是可自动根据负载和流量的变化来改变节流阀的开口面积，这样的话，即使是在负载较小的时候，新原理平衡阀也可以维持一个较小的控制压力不变；同理，如果流量发生变化时，阀口的开口面积便可自适应流量的变化，减少能源的损耗。

图6为传统平衡阀与新原理平衡阀控制压力与负载的关系曲线，图中可以看出传统平衡阀在负载很小的时候也有较大的控制压力，而新原理平衡阀将控制压力保持在一个较小的范围内，降低能源的损耗。

图6 传统平衡阀与新型平衡阀控制压力对比

图7为新原理平衡阀控制压力随负载变化的关系，由图中可以看出，当流量发生变化时，新原理平衡阀能够及时的对流量发生的变化进行调节，调节控制压力，避免流量变化引起负载的失速下滑。图中当流量达到额定流量的1.5倍，即60 L/min时，最高控制压力为1.03 MPa。当流量减小到额定流量50%，即20 L/min时，最小控制压力为0.97 MPa。

图7 新原理平衡阀控制压力与负载的关系

2 模拟仿真

2.1 数学模型的建立

据图7可得出下降工况时，各部件的运动微分方程和各容腔的流量连续方程，得系统的数学模型如下[12]：

液压缸运动微分方程：

(2)

式中，A1，A2—— 液压缸无杆腔与有杆腔面积，m2

p1—— 液压缸下腔压力，即为流量检测阀F处的压力(流经液控单向阀压力损失较小，可忽略不计)，MPa

G—— 液压缸活塞与负载质量之和，kg

pk—— 液压缸上腔压力，为液控单向阀的控制压力，MPa

m2—— 液压缸活塞和负载质量之和，kg

B1—— 液压缸活塞运动黏性阻尼系数，

N·s/m

z—— 液压缸活塞行程，m

平衡阀阀芯运动微分方程：

(3)

式中,A3—— 负载控制活塞面积，m2

A4—— 流量控制活塞面积，m2

x—— 阀芯位移，m

p2—— 流量检测阀G处压力，MPa

K1—— 可控节流阀弹簧刚度，N/m

m1—— 阀芯与控制活塞质量之和，kg

B2—— 活塞运动黏性阻尼系数, N· s/m

平衡阀阀口流量方程：

(4)

式中,QL—— 通过节流口的流量，L/min

C—— 节流阀口流量特性系数

Ar—— 节流阀口开口面积，m2

ρ—— 油液密度，kg/m3

压力p1与压力p2的关系：

p2=p1-p3-K2(Q1-QL)

(5)

式中,K2—— 推导出来的系数，为0.01

p3—— 通过40 L/min的压降为0.4 MPa

Q1—— 流量为40 L/min

液压缸上腔流量连续方程：

(6)

式中,Vu—— 液压缸无杆腔容积，m3

βe—— 油液弹性模量，N/m2

G1—— 系统内泄系数

Q—— 系统供油流量，L/min

液压缸下腔流量连续方程：

(7)

式中,Vd为液压缸有杆腔容积，m3。

根据以上方程可以推导出状态方程表示新原理平衡阀数学模型如下[12]：

(8)

2.2 仿真模型的建立

由式(8)可得液压缸上腔连续性模型仿真子系统如图8所示，液压缸下腔流量连续性模型如图9所示，节流阀阀芯运动模型如图10所示，液压缸运动模型如图11所示。

图8 液压缸上腔流量连续性模型

图9 液压缸下腔流量连续性模型

图10 节流阀芯运动模型

图11 液压缸运动模型

将运动模型子系统集合成新原理平衡阀的Simulink仿真模型，如图12所示。

仿真参数如表1所示。

图13为阀芯速度阶跃响应曲线，可以看出系统在0.14 s达到平衡,图14为液压缸活塞速度阶跃响应曲线，可以看出系统在0.17 s达到平衡，对比文献[13]中的平衡阀，阀芯速度阶跃曲线在1.8 s达到平衡，液压缸活塞速度阶跃响应曲线在2.1 s达到平衡，可以看出新原理平衡阀动态响应较快。

图12 新原理平衡阀的Simulink仿真模型

表1 仿真参数表

图13 阀芯速度的阶跃响应曲线

图14 液压缸活塞速度的阶跃响应曲线

3 结论

介绍了一种自动适应负载变化与流量变化的液压平衡阀，对其工作原理和结构特点进行了详细论述，以额定流量40 L/min的规格，对平衡阀的静态特性进行分析计算，新原理平衡阀通过流量在20～60 L/min、负载压力从0～32 MPa、控制压力稳定在0.97～1.03 MPa之间，几乎为很小的恒定值。用MATLAB/Simulink对新原理平衡阀建立数学模型，进行仿真研究，结果表明新原理平衡阀动态响应较快，可满足工程中对液压平衡阀的要求。新原理平衡阀的研究，为进一步改善平衡回路的特性，节约能源提供了依据。