2. 湖南鸿辉科技有限公司, 湖南 长沙 410000
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平衡阀在混凝土泵车、起重机、高空作业车等带折叠臂架的现代工程机械中应用广泛,其工作负载随着臂架间角度的变化而频繁变化,因而在上升、下降和空中定位静止等典型工况下对平衡阀的静态和动态性能要求都相当高[1-3].传统的平衡阀由于控制压力偏高,系统功率损失严重,而且节流口过流面积的大小不能根据负载的改变而进行自动调节,容易造成执行机构低频抖动[4-6].为了解决上述问题,设计了一种新型的负载敏感平衡阀[7].当负载压力发生变化时,该阀将负载信号反馈给弹簧腔,通过反馈压力使平衡阀芯移动,进而调整过流面积,达到维持流量稳定的目的.同时,为实现臂架空中自锁,防止臂架自由下落,平衡阀芯采用锥阀结构,并将高压油引入弹簧腔来实现零泄露.为了测试该阀在实际工况下的性能,在混凝土泵车上进行装机试验.
1 新型负载敏感平衡阀原理与结构该阀采用负载敏感原理[8-9],将负载信号引入平衡阀弹簧腔,弹簧力和负载信号产生的反馈力共同作用在阀芯侧,与先导控制压力平衡,通过改变平衡阀芯位移,调整节流口过流面积,降低流量波动,实现负载运动平稳运行；阀内设置的单向阀具有正向导通、反向截止功能；阀内设置的溢流阀具有防止压力冲击的功能.
该阀的工作原理如图 1所示.A为进油口,B为负载油口,C为先导控制油口.由于设置了单向阀2,油口A到油口B实现正向导通,反向截止；由于设置了溢流阀3,当负载压力过大时,可防止压力冲击；通过先导控制油口C的控制,油口B到油口A可根据要求实现不同程度的限流.
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| 1—主阀；2—单向阀；3—溢流阀. 图 1 新型负载敏感平衡阀工作原理 Fig.1 Operation principle of the new kind of load-sensing counterbalance valve |
该阀结构如图 2所示，主要由阀体1、控制阀芯2、平衡阀芯(阀头4和阀杆5)、先导阀芯8、溢流阀芯10等组成,结合该阀的3个典型工况介绍其具体工作过程.正向开启时,平衡阀芯在进油腔a的压力pa作用下向右移动,平衡阀正向开启,油口A到油口B的油路处于导通状态.反向截止时,负载腔b的压力pb和弹簧6及弹簧9的弹力共同作用在平衡阀芯右侧,通过锥阀结构的阀头4实现零泄漏,油口B到油口A的油路处于截止状态.反向开启时,负载腔b的压力pb和弹簧6的弹力作用在平衡阀右侧,先导控制压力pc作用在控制阀芯2左侧,通过支撑杆3推动先导阀芯8开启,使得进油腔a和弹簧腔d连通,负载腔b和腔e连通,随着控制阀芯的继续右移,平衡阀芯打开,油口B到油口A的油路处于导通状态.此时,左侧的先导控制压力pc与右侧的负载压力pb和弹簧6的弹力通过控制平衡阀芯的移动,改变节流口过流面积,起到限流的作用.
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| 1—阀体；2—控制阀芯；3—支撑杆；4—阀头；5—阀杆；6—弹簧；7—隔离块；8—先导阀芯；9—弹簧；10—溢流阀芯. 图 2 新型负载敏感平衡阀结构 Fig.2 Structure of the new kind of load-sensing counterbalance valve |
该阀设计参数：额定流量为60 L/min,额定压力为32 MPa,先导控制压力为2~6 MPa,正向压力损失为0.7 MPa.
2 平衡阀芯设计与分析平衡阀的主要作用是限制流量,建立稳定背压.其中,节流口的设计直接影响过流面积的变化,对整个平衡阀的控制特性至关重要,而过流面积特性曲线需要满足限制流量的要求.该阀采用锥阀和滑阀结构的组合方式作为节流口的密封形式,在保证锁死工况下零泄漏的同时能够获得良好的流量调节特性.
2.1 平衡阀芯行程分区平衡阀的节流口有2种工作状态：正向开启时,平衡阀需要处于全通流状态；反向开启时,平衡阀需要起限流作用.为此,平衡阀的过流面积曲线需要分成2段,平衡阀芯总行程设计为7 mm,0~5.5 mm为限流区间,5.5~7 mm为全通流区间.
根据负载敏感的概念,要求限流区间内,当先导控制压力稳定时,平衡阀流量几乎不受负载压力变化的影响.此时,负载压力的变化通过改变平衡阀芯位移,调整节流口过流面积,而过流面积的变化对流量的影响刚好与负载压力变化对流量的影响相抵消.节流口流量方程为
式中：Q——工作流量,L/min；
Cq——流量特性系数；
Av——可调的节流口过流面积,m2；
xv——平衡阀芯位移,m；
ρ——油液密度,kg/m3.
平衡阀芯位移方程为
式中：Ac——pc作用于控制阀芯的面积,m2；
Ab——pb作用于平衡阀芯的面积,m2；
F0——液动力,N；
K——弹簧6的刚度,N/m.
由以上分析可知,确定平衡阀的先导控制压力即可得到相匹配的工作流量.
2.2 各区间行程计算分析通过确定先导控制压力和工作流量,可得到不同负载压力下维持流量不变的节流口过流面积.但是,随着先导控制压力的增大，整个工作区间的变化关系曲线是不同的,需要分段设计,使平衡阀具有多级调速功能,所以将过流面积随阀芯位移的变化曲线在限流区间分为3段(微动区间、慢速运动区间和快速运动区间),各个区间均具有负载敏感特性,且存在缓慢过渡.
在微动区间(0~2 mm),由于过流面积很小,直接采用线性关系曲线.为使额定压力32 MPa下获得10 L/min的流量,该区间最大过流面积为
在慢速运动区间(2~4 mm),前0.5 mm为过渡区间,后1.5 mm为稳定区间,稳定流量为20 L/min.由式(1)和式(2)可知,当负载压力为20 MPa,平衡阀芯处于稳定区间中点3.25 mm位移处,先导控制压力为2.29 MPa.通过计算得出负载压力在15~25 MPa范围变化时,平衡阀芯的各项数据如表 1所以.
| pc/MPa | Q/(L/min) | pb/MPa | xv/mm | Av/mm2 |
| 2.29 | 20 | 15.0 | 4.080 2 | 2.534 7 |
| 2.29 | 20 | 16.5 | 3.835 1 | 2.416 8 |
| 2.29 | 20 | 18.0 | 3.590 1 | 2.313 9 |
| 2.29 | 20 | 20.0 | 3.263 4 | 2.195 1 |
| 2.29 | 20 | 21.5 | 3.018 4 | 2.117 2 |
| 2.29 | 20 | 23.0 | 2.773 4 | 2.047 0 |
| 2.29 | 20 | 25.0 | 2.446 7 | 1.963 4 |
在快速运动区间(4~5.5 mm),需要流量维持在40 L/min,分析同上,不再具体说明.
在全通流区间(5.5~7 mm),要求额定流量下最小背压为4 MPa.根据油液连续性方程,计算得出额定流量60 L/min下,节流口处产生3.5 MPa压力损失的最大过流面积为
结合以上分析与计算结果,通过MATLAB编程可获得平衡阀整个工作范围内的平衡阀芯位移—节流口过流面积特性曲线,如图 3所示.
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| 图 3 过流面积特性曲线 Fig.3 Characteristic curve of the open area |
为了保证阀芯受力均匀,设计采用分区间、多个节流小孔组合的形式来满足节流口过流面积特性的要求,采用参数化程序设计的方式对其曲线进行拟合.图 4为平衡阀芯环形小孔位置分布展开图,共分为4排小孔,对应着过流面积特性曲线的4个区间.各排节流小孔在平衡阀芯上根据节流面积区间呈阶梯分布,各个区间的环形小孔均匀分布,利用MATLAB编程可获得最终拟合的平衡阀芯位移—节流口过流面积特性曲线,如图 5所示.
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| 图 4 平衡阀芯节流小孔展开图 Fig.4 Expansion graph of the counterbalance valve's throttling orifice |
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| 图 5 拟合的过流面积特性曲线 Fig.5 Fitted characteristic curve of the open area |
为了测试该阀在实际应用环境下的性能,在一辆SY5271THB型混凝土泵车上进行了装机试验,如图 6所示.试验前按照国家平衡阀标准JB/T 9739.1—1999对新型负载敏感平衡阀作了严格的出厂试验,并将达标的作为试验样件.首先,将系统油温调节至50 ℃,试验步骤如下：
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| 图 6 装机试验 Fig.6 Installation test |
1) 分别将新型负载敏感平衡阀安装在主机第2节臂架油缸的大小腔处,在多路阀的对应联接入测压接头,装上压力表.控制遥控手柄分别进行臂架伸出和臂架收缩操作,观察臂架运动的情况及控制压力的变化,记录现象及数据；将臂架伸出至某一点保持静止不动,观察臂架下降的情况并记录.
2) 分别将原装Vikers平衡阀安装在主机第2节臂架油缸的大小腔处,重复第1)步操作并记录现象及数据.得到最终的统计数据如表 2所示.
| 测试项目 | Vikers平衡阀 | 新型负载敏感平衡阀 |
| 开启压力(伸出) | 10 | 2 |
| 压力变化(伸出) | 10—8—10—0 | 2—1—7—0 |
| 系统现象(伸出) | 初始有轻微抖动,后平稳运行无抖动 | 整个过程平稳，平稳运行无抖动 |
| 开启压力(收缩) | 23 | 5.5 |
| 压力变化(收缩) | 23—17.5—26 | 5.5—2—6.5—5—9 |
| 系统现象(收缩) | 只有轻微抖动 | 平稳运行无抖动 |
| 下降情况(静止) | 未出现下降现象 | 未出现下降现象 |
本次装机试验的结果表明,该阀基本达到设计要求.与进口Vikers平衡阀相比,新型负载敏感平衡阀控制压力低,达到了降低系统功耗的目的；整个上升和下降过程中压力呈现阶段性变化,各阶段压力近似线性输出，能够随着负载压力的变化进行调节,流量稳定无冲击；臂架未出现颤振现象,系统运行平稳;在静止工况下,臂架能够保持长时间静止不动,稳定可靠.
4 结 论设计了一种新型负载敏感平衡阀,对其工作原理和结构特点进行了说明.对平衡阀负载敏感特性影响较大的平衡阀芯节流口进行了分段设计和计算,采用节流小孔组合的节流方式,借助MATLAB对过流面积特性曲线进行拟合,得到满足要求的组合方式.为了验证该结构设计的可行性,在混凝土泵车上进行了装机试验,并与原阀作了对比试验.试验证明,该新型负载敏感平衡阀控制压力低,有效降低了系统功耗,负载敏感特性表现良好.同时,该阀稳定性得到提高,基本满足臂架平稳运行的要求.
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