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    重慶普惠斯調節閥
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    調節閥技術文檔

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    液壓比例控制閥性能改進分析與研究

    類別:調節閥 | 作者:楊保香 | 發布日期:2018-08-09 10:44:53

    直控電液比例控制閥結構如圖1所示,通過對比例電磁鐵電信號的控制實現油液流量和方向的控制。比例電磁鐵將電能轉換為機械力,銜鐵帶動柱塞在電磁力和彈簧彈力的作用下移動。 copyright cqphs.com

    比例控制閥結構圖

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    圖1 比例控制閥結構圖 重慶普惠斯閥門

    通過外部壓力補償器可限制比例閥的壓降,比例調節閥閥芯對進液和回液可有效分配。近年來,國內外研究者對比例控制閥在液壓控制系統中的應用進行了大量研究,該研究在一定程度上提高了控制系統的使用性能。為了進一步優化液壓控制系統,本文對液壓比例控制閥進行了改進,進一步提高了其使用性能。 copyright cqphs.com

    1 理論背景

    文中主要對兩種典型比例調節閥進行研究,閥芯面積比分別為2:1和1:1,且分別應用于超越負載和阻性負載。比例調節閥和液壓缸的連接油路如圖2所示。

    重慶普惠斯

    比例方向閥與液壓缸連接油路圖

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    圖2 比例方向閥與液壓缸連接油路圖 重慶普惠斯閥門

    1.1 超越負載

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    系統中液壓缸活塞面積比為2:1,為了使系統具有理想的控制效果,閥芯面積比也需為2:1。本文通過數學方法進行分析研究。

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    液壓比例控制閥可進液節流和回液節流,流經油孔的流量為: 本文來自重慶普惠斯閥門

        (1) 內容來自cqphs.com

    式中Q——流量,L/min; copyright cqphs.com

    C——流量系數; 重慶普惠斯

    A——油孔面積,mm2;

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    Δp——油孔前后壓力降,MPa。 重慶普惠斯

    由上式可知,對于超越負載,如圖3所示。Δp1和Δp2需要進一步計算。

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    超越負載壓降計算圖 內容來自cqphs.com

    圖3 超越負載壓降計算圖 copyright cqphs.com

    2:1閥芯面積比液壓閥對2:1柱塞面積比液壓缸控制系統中油孔分析如圖4所示。 內容來自cqphs.com

    油孔分析圖 內容來自cqphs.com

    圖4 油孔分析圖

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    由于液壓閥閥芯面積比為2:1,所以 本文來自重慶普惠斯閥門

    重慶普惠斯閥門

    由圖4可知:

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    重慶普惠斯

    將上式化簡可得: cqphs.com

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    因此

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    Δp2≈Δp1   (2) copyright cqphs.com

    由此可知,比例控制閥的進液口和回液口的壓差降近似相等,即2:1閥芯面積比液壓閥對2:1柱塞面積比液壓缸具有較好的控制性能。在1:1閥芯面積比液壓閥對2:1柱塞面積比液壓缸控制系統中

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    因此,

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        (3)

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    由計算推導可知,當1:1閥芯面積比液壓閥對2:1柱塞面積比液壓缸進行控制時,Δp1=4Δp2。此時活塞桿所需系統背壓必須大于系統壓力的1/4,否則液壓缸內腔將產生真空。為了增加研究的直觀性,假設液壓缸加載400kg的超越負載,1:1閥芯面積比液壓閥對2:1活塞面積比液壓缸的控制圖如圖5所示。

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    超越負載系統圖 cqphs.com

    圖5 超越負載系統圖 copyright cqphs.com

    根據系統所受合力,計算p3

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    p3=(p2A1+F)/A2    (4)

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    由此可知 本文來自重慶普惠斯閥門

    p1=pp-p2 重慶普惠斯閥門

    p2=p3-p4

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    設p4=0,則 copyright cqphs.com

    p2=p3    (5) 重慶普惠斯閥門

    由于閥芯面積比為1:1,將上式推導可得 cqphs.com

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    因此

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    替代 cqphs.com

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    求解p2得:

    重慶普惠斯

        (6)

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    帶入參數F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=10cm2,Q=100L/min。解得: 重慶普惠斯閥門

    p2=-0.66MPa 內容來自cqphs.com

    由于p2<0,低于0大氣壓力,液壓缸內部有真空產生。 重慶普惠斯閥門

    Δp1=pp-p2 本文來自重慶普惠斯閥門

    解得,p1=10.67MPa。 重慶普惠斯

    由于p1的最大值為10MPa。所以 重慶普惠斯

    Δp2=Δp1/4=2.5MPa copyright cqphs.com

    由此可知,液壓缸A2腔的壓降不足以克服真空的產生,A2腔需要更小的油孔以形成較大的背壓。

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    在相同條件下,對于2:1面積比閥芯

    重慶普惠斯閥門

    重慶普惠斯閥門

    因此

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    重慶普惠斯

    經替代可得

    重慶普惠斯

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    重慶普惠斯閥門

    因此

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        (7)

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    解得p2=2.66MPa。此時,液壓缸A2腔無真空產生。因此

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    由于Δp2=p3,且p3=9.32MPa為已知,所以Δp2=13.7MPa,Δpt=23.02MPa。由此可知,以2:1閥芯面積比液壓閥控制2:1柱塞面積比液壓缸可避免液壓缸真空的產生,通過液壓閥的總壓降為23.02MPa。當液壓閥電磁鐵的控制電流為額定電流的70%時,液壓閥的總壓降為10MPa,如圖6所示。 內容來自cqphs.com

    液壓閥性能曲線圖 重慶普惠斯閥門

    圖6 液壓閥性能曲線圖 本文來自重慶普惠斯閥門

    1.2 阻性負載

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    在阻性負載下,2:1和1:1閥芯面積比液壓閥對2:1柱塞面積比液壓缸的控制系統圖如圖7所示。 本文來自重慶普惠斯閥門

    阻性系統

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    圖7 阻性系統

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    在阻性負載作用下: 重慶普惠斯閥門

    重慶普惠斯

    對于1:1閥芯面積比液壓閥 cqphs.com

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    假設p4=0,則

    重慶普惠斯

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    因此 內容來自cqphs.com

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    對于2:1閥芯面積比液壓閥

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    對于2:1閥芯面積比液壓閥帶入參數可得p3=8.05MPa。

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    由于    Δp2=p3=8.05MPa cqphs.com

    且    p2=[p3∙A2+F]/A1=60.25 重慶普惠斯閥門

    所以    Δp1=pp-p2=3.975MPa      Δpt=Δp1+Δp2=12.025MPa copyright cqphs.com

    由此可知,經過液壓閥的總壓降為12.025MPa,為了實現液壓閥在最大行程處獲得該壓降,需由液壓閥性能曲線中選擇適當閥芯。 copyright cqphs.com

    1.3 液壓缸進液節流和回液節流 copyright cqphs.com

    在實際應用中,當負載為阻性負載時,液壓缸進液節流如圖8所示。

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    由圖8可知 copyright cqphs.com

    p1=p3∙A2/A1+F/A1 cqphs.com

    pp>p1 cqphs.com

    當系統負載為超越負載時,其系統簡圖如圖9所示。 重慶普惠斯閥門

    進液節流

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    圖8 進液節流

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    回液節流 copyright cqphs.com

    圖9 回液節流 內容來自cqphs.com

    2 控制方案改進

    傳統比例控制閥具有進液節流和回液節流兩種控制方式,該控制方式液壓閥具有較大的壓差[7]。為了降低液壓閥壓降差,提高其使用性能,本文對比例液壓閥進行改進,改進后的比例調節閥具有進液節流或回液節流一種控制方式。改進的比例調節閥在進液油路和回液油路增加兩位三通先導式方向控制閥,如圖10和圖11所示。

    重慶普惠斯

    進液節流改進

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    圖10 進液節流改進 重慶普惠斯

    回液節流改進

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    圖11 回液節流改進 copyright cqphs.com

    3 改進仿真分析

    本文通過仿真軟件分別對改進前、后液壓缸負載為超越負載和阻性負載時液壓缸壓力情況進行了仿真。設定的參數為F=4000N,pp=10MPa,A1=20cm2,A2=20cm2,Q=110L/min。圖12和圖13為改進前液壓缸在阻性負載下液壓缸兩腔室壓力變化曲線圖。由圖12可知,液壓缸柱塞腔的壓力為2.8MPa,液壓閥的壓降為7.2MPa;由圖13可知,液壓缸柱塞桿腔的壓力為2MPa,液壓閥的壓降為9.2MPa。

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    改進前柱塞腔 本文來自重慶普惠斯閥門

    圖12 改進前柱塞腔

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    改進前柱塞桿腔阻性負載壓力阻性負載壓力 cqphs.com

    圖13 改進前柱塞桿腔阻性負載壓力阻性負載壓力 copyright cqphs.com

    負載為超越負載時,改進前液壓缸兩腔室的壓力曲線圖如圖14和圖15所示。由圖14可知,液壓缸柱塞腔的壓力為1.25MPa,液壓閥的壓降為8.75MPa;由圖15可知,液壓缸柱塞桿腔的壓力為2.5MPa,液壓閥的壓降為11.25MPa。 cqphs.com

    改進前柱塞腔 cqphs.com

    圖14 改進前柱塞腔

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    改進前柱塞桿腔超越負載壓力超越負載壓力

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    圖15 改進前柱塞桿腔超越負載壓力超越負載壓力 重慶普惠斯

    改進后液壓缸活塞桿為阻性負載,控制方式為進液節流時,液壓缸壓力變化圖如圖16和圖17所示。由圖16可知,活塞腔的壓力為2MPa,液壓閥壓降為2MPa;由圖17可知,活塞桿腔的壓力為0.03MPa。

    重慶普惠斯

    改進后液壓缸活塞桿所受負載為超越負載,控制方式為回液節流時,液壓缸兩腔室壓力變化圖如圖18和圖19所示。由圖18可知,柱塞腔壓力為9.8MPa,液壓閥壓降為0.2MPa。由圖19可知,活塞桿腔的壓力為14MPa,活塞桿腔無背壓,需調節回液節流孔。

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    改進后進液節流柱塞腔 本文來自重慶普惠斯閥門

    圖16 改進后進液節流柱塞腔 重慶普惠斯閥門

    改進后進液節流柱塞桿腔阻性負載壓力阻性負載壓力 copyright cqphs.com

    圖17 改進后進液節流柱塞桿腔阻性負載壓力阻性負載壓力

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    改進后回液節流柱塞腔 重慶普惠斯

    圖18 改進后回液節流柱塞腔 重慶普惠斯

    改進后回液節流柱塞桿腔超越負載壓力超越負載壓力 內容來自cqphs.com

    圖19 改進后回液節流柱塞桿腔超越負載壓力超越負載壓力

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    4 結論

    傳統比例控制閥流量控制方式為進液節流和回液節流兩個方面,該控制方式液壓閥具有較大壓差降,耗能較大,且性能不理想。本文提出了液壓比例調節閥的改進控制方式,即僅對進液節流或回液節流進行控制。文中通過仿真對改進方案的可行性進行了仿真論證,仿真結果表明改進的比例閥避免了液壓缸真空的形成,提高了系統的工作性能,為新型液壓閥的設計應用奠定了基礎。

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