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液压比例控制阀性能改进分析与研究

类别:调节阀 | 作者:杨保香 | 发布日期:2018-08-09 10:44:53

直控电液比例控制阀结构如图1所示,通过对比例电磁铁电信号的控制实现油液流量和方向的控制。比例电磁铁将电能转换为机械力,衔铁带动柱塞在电磁力和弹簧弹力的作用下移动。 copyright cp999888.cn

比例控制阀结构图

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图1 比例控制阀结构图 重庆普惠斯阀门

通过外部压力补偿器可限制比例阀的压降,比例调节阀阀芯对进液和回液可有效分配。近年来,国内外研究者对比例控制阀在液压控制系统中的应用进行了大量研究,该研究在一定程度上提高了控制系统的使用性能。为了进一步优化液压控制系统,本文对液压比例控制阀进行了改进,进一步提高了其使用性能。 copyright cp999888.cn

1 理论背景

文中主要对两种典型比例调节阀进行研究,阀芯面积比分别为2:1和1:1,且分别应用于超越负载和阻性负载。比例调节阀和液压缸的连接油路如图2所示。

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比例方向阀与液压缸连接油路图

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图2 比例方向阀与液压缸连接油路图 重庆普惠斯阀门

1.1 超越负载

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系统中液压缸活塞面积比为2:1,为了使系统具有理想的控制效果,阀芯面积比也需为2:1。本文通过数学方法进行分析研究。

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液压比例控制阀可进液节流和回液节流,流经油孔的流量为: 本文来自重庆普惠斯阀门

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式中Q——流量,L/min; copyright cp999888.cn

C——流量系数; 重庆普惠斯

A——油孔面积,mm2;

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Δp——油孔前后压力降,MPa。 重庆普惠斯

由上式可知,对于超越负载,如图3所示。Δp1和Δp2需要进一步计算。

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超越负载压降计算图 内容来自cp999888.cn

图3 超越负载压降计算图 copyright cp999888.cn

2:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸控制系统中油孔分析如图4所示。 内容来自cp999888.cn

油孔分析图 内容来自cp999888.cn

图4 油孔分析图

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由于液压阀阀芯面积比为2:1,所以 本文来自重庆普惠斯阀门

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由图4可知:

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将上式化简可得: cp999888.cn

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因此

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Δp2≈Δp1   (2) copyright cp999888.cn

由此可知,比例控制阀的进液口和回液口的压差降近似相等,即2:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸具有较好的控制性能。在1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸控制系统中

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因此,

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由计算推导可知,当1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸进行控制时,Δp1=4Δp2。此时活塞杆所需系统背压必须大于系统压力的1/4,否则液压缸内腔将产生真空。为了增加研究的直观性,假设液压缸加载400kg的超越负载,1:1阀芯面积比液压阀对2:1活塞面积比液压缸的控制图如图5所示。

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超越负载系统图 cp999888.cn

图5 超越负载系统图 copyright cp999888.cn

根据系统所受合力,计算p3

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p3=(p2A1+F)/A2    (4)

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由此可知 本文来自重庆普惠斯阀门

p1=pp-p2 重庆普惠斯阀门

p2=p3-p4

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设p4=0,则 copyright cp999888.cn

p2=p3    (5) 重庆普惠斯阀门

由于阀芯面积比为1:1,将上式推导可得 cp999888.cn

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因此

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替代 cp999888.cn

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求解p2得:

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带入参数F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=10cm2,Q=100L/min。解得: 重庆普惠斯阀门

p2=-0.66MPa 内容来自cp999888.cn

由于p2<0,低于0大气压力,液压缸内部有真空产生。 重庆普惠斯阀门

Δp1=pp-p2 本文来自重庆普惠斯阀门

解得,p1=10.67MPa。 重庆普惠斯

由于p1的最大值为10MPa。所以 重庆普惠斯

Δp2=Δp1/4=2.5MPa copyright cp999888.cn

由此可知,液压缸A2腔的压降不足以克服真空的产生,A2腔需要更小的油孔以形成较大的背压。

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在相同条件下,对于2:1面积比阀芯

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因此

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经替代可得

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    (7)

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解得p2=2.66MPa。此时,液压缸A2腔无真空产生。因此

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由于Δp2=p3,且p3=9.32MPa为已知,所以Δp2=13.7MPa,Δpt=23.02MPa。由此可知,以2:1阀芯面积比液压阀控制2:1柱塞面积比液压缸可避免液压缸真空的产生,通过液压阀的总压降为23.02MPa。当液压阀电磁铁的控制电流为额定电流的70%时,液压阀的总压降为10MPa,如图6所示。 内容来自cp999888.cn

液压阀性能曲线图 重庆普惠斯阀门

图6 液压阀性能曲线图 本文来自重庆普惠斯阀门

1.2 阻性负载

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在阻性负载下,2:1和1:1阀芯面积比液压阀对2:1柱塞面积比液压缸的控制系统图如图7所示。 本文来自重庆普惠斯阀门

阻性系统

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图7 阻性系统

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在阻性负载作用下: 重庆普惠斯阀门

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对于1:1阀芯面积比液压阀 cp999888.cn

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假设p4=0,则

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因此 内容来自cp999888.cn

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对于2:1阀芯面积比液压阀

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对于2:1阀芯面积比液压阀带入参数可得p3=8.05MPa。

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由于    Δp2=p3=8.05MPa cp999888.cn

且    p2=[p3∙A2+F]/A1=60.25 重庆普惠斯阀门

所以    Δp1=pp-p2=3.975MPa      Δpt=Δp1+Δp2=12.025MPa copyright cp999888.cn

由此可知,经过液压阀的总压降为12.025MPa,为了实现液压阀在最大行程处获得该压降,需由液压阀性能曲线中选择适当阀芯。 copyright cp999888.cn

1.3 液压缸进液节流和回液节流 copyright cp999888.cn

在实际应用中,当负载为阻性负载时,液压缸进液节流如图8所示。

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由图8可知 copyright cp999888.cn

p1=p3∙A2/A1+F/A1 cp999888.cn

pp>p1 cp999888.cn

当系统负载为超越负载时,其系统简图如图9所示。 重庆普惠斯阀门

进液节流

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图8 进液节流

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回液节流 copyright cp999888.cn

图9 回液节流 内容来自cp999888.cn

2 控制方案改进

传统比例控制阀具有进液节流和回液节流两种控制方式,该控制方式液压阀具有较大的压差[7]。为了降低液压阀压降差,提高其使用性能,本文对比例液压阀进行改进,改进后的比例调节阀具有进液节流或回液节流一种控制方式。改进的比例调节阀在进液油路和回液油路增加两位三通先导式方向控制阀,如图10和图11所示。

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进液节流改进

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图10 进液节流改进 重庆普惠斯

回液节流改进

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图11 回液节流改进 copyright cp999888.cn

3 改进仿真分析

本文通过仿真软件分别对改进前、后液压缸负载为超越负载和阻性负载时液压缸压力情况进行了仿真。设定的参数为F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=20cm2,Q=110L/min。图12和图13为改进前液压缸在阻性负载下液压缸两腔室压力变化曲线图。由图12可知,液压缸柱塞腔的压力为2.8MPa,液压阀的压降为7.2MPa;由图13可知,液压缸柱塞杆腔的压力为2MPa,液压阀的压降为9.2MPa。

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改进前柱塞腔 本文来自重庆普惠斯阀门

图12 改进前柱塞腔

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改进前柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力 cp999888.cn

图13 改进前柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力 copyright cp999888.cn

负载为超越负载时,改进前液压缸两腔室的压力曲线图如图14和图15所示。由图14可知,液压缸柱塞腔的压力为1.25MPa,液压阀的压降为8.75MPa;由图15可知,液压缸柱塞杆腔的压力为2.5MPa,液压阀的压降为11.25MPa。 cp999888.cn

改进前柱塞腔 cp999888.cn

图14 改进前柱塞腔

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改进前柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力

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图15 改进前柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力 重庆普惠斯

改进后液压缸活塞杆为阻性负载,控制方式为进液节流时,液压缸压力变化图如图16和图17所示。由图16可知,活塞腔的压力为2MPa,液压阀压降为2MPa;由图17可知,活塞杆腔的压力为0.03MPa。

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改进后液压缸活塞杆所受负载为超越负载,控制方式为回液节流时,液压缸两腔室压力变化图如图18和图19所示。由图18可知,柱塞腔压力为9.8MPa,液压阀压降为0.2MPa。由图19可知,活塞杆腔的压力为14MPa,活塞杆腔无背压,需调节回液节流孔。

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改进后进液节流柱塞腔 本文来自重庆普惠斯阀门

图16 改进后进液节流柱塞腔 重庆普惠斯阀门

改进后进液节流柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力 copyright cp999888.cn

图17 改进后进液节流柱塞杆腔阻性负载压力阻性负载压力

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改进后回液节流柱塞腔 重庆普惠斯

图18 改进后回液节流柱塞腔 重庆普惠斯

改进后回液节流柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力 内容来自cp999888.cn

图19 改进后回液节流柱塞杆腔超越负载压力超越负载压力

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4 结论

传统比例控制阀流量控制方式为进液节流和回液节流两个方面,该控制方式液压阀具有较大压差降,耗能较大,且性能不理想。本文提出了液压比例调节阀的改进控制方式,即仅对进液节流或回液节流进行控制。文中通过仿真对改进方案的可行性进行了仿真论证,仿真结果表明改进的比例阀避免了液压缸真空的形成,提高了系统的工作性能,为新型液压阀的设计应用奠定了基础。

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