矿用负载敏感系统阀前补偿抗流量饱和技术研究

常映辉,周杰

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006；3.山西天地煤机装备有限公司，山西太原 030006)

0 前言

矿山机械工作通常不是一个简单的运动，往往需要多执行机构复合运动来实现。一般复合运动时会有不等的负载，而液压泵的压力只能和最大的负载相适应。而多负载协同动作的实现主要有两种方式：(1)通过负载敏感回路中的压力补偿阀控制换向阀阀口压差；(2)通过压力补偿阀对阀口压差进行补偿。而压力补偿阀在最大负载回路中不起补偿作用，只有在小负载的控制回路才可以利用压力补偿阀进行补偿。

当采用前置压力补偿阀，即压力补偿阀的位置布置在多路阀前，控制换向阀压差时，当系统流量不能满足多个执行器需求的时候，压力补偿阀便会失去作用，油液会优先供应负载低的液压回路，速度取决于流量，负载高的执行元件的运动速度便会减小直至停止。

另一种采用后置压力补偿阀，压力补偿阀布置在多路阀与执行机构之间，当系统流量不能满足多个执行器需求的时候，负载值不同的多路阀会同时由补偿阀进行补偿，使得换向阀前后压差保持一致。但是前置补偿阀和后置补偿阀都需要调压弹簧来设定压力，如果调压弹簧磨损，主阀口的设定补偿压力值便会随着改变，从而影响主阀所通过的流量。因此本文作者提出一种不适用调压弹簧的压力补偿阀，来解决此问题。

1 阀前补偿分析

阀前补偿工作原理如图1所示。

图1 前置补偿原理

矿用设备在实际工作时会有多个负载，文中假设2个负载可以说明技术原理，令>，因此系统最大负载为，并通过梭阀反馈给变量泵上的Ls阀，变量泵上的设定压力一般是2～2.5 MPa。这里取系统压力为

=+2.5

补偿器设置在主阀芯前端，2个主阀的阀前压力分别为和，则控制阀前后压差为

Δ=-Δ=-

对于小负载的控制回路就需要利用压力补偿阀进行补偿，压力补偿阀产生压力降为

Δ=-

一般情况下，每一联多路阀上压力补偿器的设定压力是相同的，并且是一个固定值，因此：

Δ=Δ

各回路的流量：

式中：为流量系数；为通流面积；为密度。

从式中可以看出各回路的流量与换向阀的通流面积和两端的压差成比例。

为保证每个执行机构都能正常工作，系统压力必须保证最大负载对应的压力补偿器正常工作。但在负载保持不变的情况下，不管哪个负载需要的流量增加都会影响系统压力，导致压力下降。系统正常工作时，各个回路的流量都可以通过多路阀的开口量实现改变。当系统压力下降到不能满足最大负载对应的压力补偿器正常工作时，这时最大负载回路上的压力补偿器失效，对于该回路已经无法通过改变多路阀的开口量来进行调速，此时的变量泵已经达到最大排量相当于定量泵。此时负载的动作可以分为3种情况：

大负载回路流量需增加，小负载回路流量不变，大负载回路多路阀阀口继续增大，该回路执行机构速度保持恒定；

小负载回路流量需增加，大负载回路流量不变，由于小负载回路上压力补偿器正常工作，增大该回路多路阀的开口量，负载速度会增加。由于此时泵为定量泵状态，小负载回路流量增加，大负载回路流量就会减少，导致大负载回路上的执行器速度减慢甚至停止运动；

大、小负载回路流量同时需增加，系统优先满足小负载回路所需流量，小负载速度会增加，大负载回路中流量减少，执行机构的速度就会减慢甚至停止运动。

2 改进后阀前补偿技术分析

本文作者提出的改进后阀前补偿工作原理如图2所示。

图2 改进后前置补偿工作原理图

令>，因此系统最大负载为，并通过梭阀反馈给变量泵上的Ls阀，系统工作时，补偿器上静压平衡，因此：

Δ=-

Δ=-

整理可得：

系统压差-为泵上的负载反馈调定压力，一般设定为定值，与前述一样设定为2.5 MPa，从式中可以看出换向阀两端的压差与系统压差成比例，而且不同换向阀上的压差是相等的。

补偿器的阀芯设计完成后，阀芯处和尺寸就确定，首先可以保证换向阀两端的压差恒定，出口流量与主阀芯位移成比例。与阀后补偿器的功能一样，当系统流量不能满足执行机构同时动作的情况下，整个系统压差会减小，换向阀两端的压差成比例地减小，但是换向阀两端的压差依然恒定。

设计的压力补偿器不采用弹簧结构，靠系统压力和最大负载压力实现两端的压差为定值。改变压力补偿器阀芯的尺寸，就可以调整换向阀两端的压差和系统压差的比例。

3 仿真分析

利用仿真软件对所设计的压力补偿阀进行分析，仿真原理如图3所示，模拟驱动油缸回路，压力补偿阀设置在主阀前端，控制主阀进出口的压力差，回路上的油液通过压力补偿阀后进入主阀，由主阀控制油缸动作。

图3 压力补偿阀仿真原理

仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

压力补偿阀的阀芯设计完成后，阀芯处和尺寸就确定，主阀口两端的压差与整个系统压差-成比例，仿真时设定-为2 MPa，图4展示了不同面积比时主阀口两端的压力差。可以看出:面积比分别为1、0.8和0.5时，主阀口的压差-分别为2、1.59和0.99 MPa，因此改变压差补偿器的阀芯尺寸，就可以改变主阀口两端的压差，并且保持恒定。

图4 不同面积比时主阀口两端压力差 图5 系统压差改变时主阀的流量

仿真时压力补偿阀的阀芯面积比不变，模拟系统压差减小时，主阀的输出流量如图5所示。

从图5中可以看出：系统压差-为2 MPa时，主阀的输出流量为100 L/min，系统压差减小到1.5、1 MPa时，主阀的输出流量分别为87.5、71.4 L/min，这与理论计算一致。而且随着系统压差的减小，主阀的输出流量仍然稳定，不会导致负载停止动作。

4 结论

阀前补偿和阀后补偿都采用调压弹簧进行压力补偿，阀前补偿可以保证主阀进出口压差恒定，而且具有一定的流量稳定范围，当流量出现饱和状态时，流量会优先供给小负载，而不是再按各主阀开口面积来分配流量，使较大负载失去了控制，速度降低甚至减小，进而影响复合动作的正常进行。通过阀后间接补偿也可以保证多路阀进出口压差恒定，当流量饱和时，通过同时减小各主阀两端的压差来实现抗流量饱和，从而确保无论在什么工况，多路阀通过流量仅与主阀开度有关而保持原来的比例不变。

新设计的补偿阀不采用调压弹簧，减少弹簧磨损对主阀流量准确性的影响，而且压力补偿阀设置在主阀芯前端，但是具有和阀后补偿同样的功能，实现了具有前置式压力补偿器的负载敏感多路阀的流量抗饱和能力。