新型液壓平衡閥性能概述

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摘要：介紹了某新型液壓平衡閥工作原理，用功率鍵合圖法建立了該閥的動態(tài)模型，并轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程，用Matlab對液壓平衡閥動態(tài)特性進行了數(shù)字仿真，研究了該平衡閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動態(tài)性能的影響，所得出的結(jié)論可指導(dǎo)產(chǎn)品的工程設(shè)計。

關(guān)鍵詞：平衡閥；鍵合圖；液壓系統(tǒng)；仿真中圖分類號
    液壓平衡閥能隨時建立與變化負載相平衡的背壓，能實現(xiàn)液壓油缸或液壓馬達在負載作用下運動限速、閉鎖，也能防止因油管破裂或制動失靈而使重物自由下落造成事故，因此應(yīng)用十分廣泛［1］。國外典型產(chǎn)品有日本生產(chǎn)的BLG型平衡閥、德國生產(chǎn)的FD型平衡閥等。國內(nèi)產(chǎn)品大多是20世紀七八十年代仿國外制造的，普遍存在低頻抖動、控制壓力偏高、工作平穩(wěn)性差、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜等問題，不能滿足大噸位工程機械的性能要求。國內(nèi)有關(guān)院校和研究單位對平衡閥進行過理論和試驗研究，但一直未能研制出理想的平衡閥產(chǎn)品。本課題研究的新型液壓平衡閥是在參考了國內(nèi)外各種平衡閥結(jié)構(gòu)、應(yīng)用特點的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)目前國內(nèi)大噸位起重機雙缸變幅系統(tǒng)的需要而提出來的，有重要工程實用價值。圖1平衡閥工作原理示意圖新型液壓平衡閥工作原理如圖1所示，新型液壓平衡閥由主閥、控制閥及兩個保持閥構(gòu)成，主閥（單向閥）和控制閥同軸布置，處于平衡閥閥體的中心線上，而兩個保持閥相對于主閥芯和控制閥芯的中心線呈對稱分布［2］。主閥采用錐面密封，大大提高了密封性；保持閥閥芯、主閥閥芯、控制閥閥芯上開設(shè)阻尼孔，改善了平衡閥的運動穩(wěn)定性；控制閥芯增加一個剛度系數(shù)較小的彈簧保證控制閥芯能快速回位。負載下降時，一部分液壓油被泵入油缸的上腔（有桿腔），另一部分液壓油作為控制油，推動控制閥閥芯移動，油缸下腔（無桿腔）的液壓回油則經(jīng)保持閥、主閥流回油箱，負載下降。當重物超速下降時，造成油缸上腔供油不足，壓力降低，使得控制閥閥芯左端的油壓降低，在彈簧力的作用下，主閥閥芯左移，主閥閥芯與閥體之間的節(jié)流面積減小，回油阻力加大，負載下降速度變慢，后主閥閥芯、控制閥閥芯和控制壓力之間達到了一種動態(tài)平衡，重物不至液壓平衡閥能隨時建立與變化負載相平衡的背壓，能實現(xiàn)液壓油缸或液壓馬達在負載作用下運動限速、閉鎖，也能防止因油管破裂或制動失靈而使重物自由下落造成事故，因此應(yīng)用十分廣泛

有重要工程平衡閥工作原理示意圖

新型液壓平衡閥工作原理
如圖1所示，新型液壓平衡閥由主閥、控制閥及兩個保持閥構(gòu)成，主閥（單向閥）和控制閥同軸布置，處于平衡閥閥體的中心線上，而兩個保持閥相對于主閥芯和控制閥芯的中心線呈對稱分布［2］。主閥
采用錐面密封，大大提高了密封性；保持閥閥芯、主閥閥芯、控制閥閥芯上開設(shè)阻尼孔，改善了平衡閥的運動穩(wěn)定性；控制閥芯增加一個剛度系數(shù)較小的彈簧保證控制閥芯能快速回位。負載下降時，一部分液壓油被泵入油缸的上腔（有桿腔），另一部分液壓油作為控制油，推動控制閥閥芯移動，油缸下腔（無桿腔）的液壓回油則經(jīng)保持閥、主閥流回油箱，負載下降。當重物超速下降時，造成油缸上腔供油不足，壓力降低，使得控制閥閥芯左端的油壓降低，在彈簧力的作用下，主閥閥芯左移，主閥閥芯與閥體之間的節(jié)流面積減小，回油阻力加大，負載下降速度變慢，后主閥閥芯、控制閥閥芯和控制壓力之間達到了一種動態(tài)平衡，重物不至于失速，保證了載荷平緩下降。負載上升時，液壓油頂開主閥閥芯，經(jīng)保持閥到液壓油缸下腔，推動油缸活塞上移，油缸上腔回油，實現(xiàn)載荷舉升。

新型液壓平衡閥動態(tài)建模鍵合圖法基本原理
功率鍵合圖是在20世紀60年代末和70年代初發(fā)展起來的一種動力學(xué)新方法［3!5］，這種方法能以
統(tǒng)一的方式處理多種能量形式并存的工程系統(tǒng)，圖形描述與數(shù)學(xué)描述的統(tǒng)一性及系統(tǒng)狀態(tài)方程建立的格式化方式，使其在各類系統(tǒng)動態(tài)建模中得到了廣泛應(yīng)用。功率鍵合圖定義了4個廣義變量（勢變量

11）控制閥前腔液阻R2、
油缸活塞與缸壁之間的摩擦阻尼系數(shù)R4，保持閥前腔液阻R11、可變阻尼系數(shù)R12、保持閥閥芯與閥體之間的摩擦阻尼系數(shù)R18、保持閥后腔液阻R23；主閥進油腔液阻R26、可變阻尼系數(shù)R34、主閥后腔液阻R30、控制閥旁腔液阻R37、主閥閥芯與閥體之間的摩擦阻尼系數(shù)R42。其中：穩(wěn)態(tài)時間為0.1906s，這些性能指標反映了新型液壓平衡閥響應(yīng)快速、動態(tài)過程持續(xù)時間短、系統(tǒng)響應(yīng)過程較平穩(wěn)。圖4!圖8為油缸活塞桿運動速度隨新型液壓平衡閥部分結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的仿真曲線。圖4、6、7表明隨著控制閥閥芯中腔阻尼孔直徑、主閥節(jié)流口面積梯度、主閥彈簧剛度的增大，活塞桿速度的變化增大，上升時間變化不大、峰值時間減小，響應(yīng)加快，但超調(diào)量增大，平穩(wěn)性降低；圖5表明保持閥前腔閥芯的直徑變化對油缸活塞桿的動態(tài)性能影響不大；圖8表明隨著負載質(zhì)量增大，活塞桿響應(yīng)速度的上升時間變化不大，峰值時間增大，超調(diào)量增大，動態(tài)穩(wěn)定性降低。

4結(jié)論
鍵合圖理論以狀態(tài)方程作為數(shù)模形式，可以方便地進行程序化建模與計算機仿真，建模過程中選取的狀態(tài)變量正是系統(tǒng)要求的部分物理量（如油缸活塞桿的運動速度）。仿真結(jié)果反映了新型液壓平衡閥動態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)量較小，平穩(wěn)性好。大量的仿真試驗表明，隨著控制閥阻尼孔直徑、主閥節(jié)流口面積梯度、主閥彈簧剛度的增加，平衡閥的動態(tài)響應(yīng)加快，平穩(wěn)性降低。以上結(jié)論對平衡閥的產(chǎn)品設(shè)計提供了理論依據(jù)。如還想了解更多平衡閥資料，請點擊減壓閥查看。

參考文獻：
［1PederPedersen.strategiesforstabilizationofflowControlsystemwithCounterbalancevalves［M］.fluidPowernetInternational，2000.

［2］蔣波.新型組合式平衡閥動、靜態(tài)特性計算機仿真與產(chǎn)品研制［D］.長沙交通學(xué)院，1999.

［3］王中雙.鍵合圖理論及其在系統(tǒng)動力學(xué)中的應(yīng)用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000.［4］布倫德爾.鍵合圖在工程建模中的應(yīng)用［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1990.

［5］潘亞東.鍵合圖概論—一種系統(tǒng)動力學(xué)方法［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.

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