装船机螺旋溜槽速降差动液压系统分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

众所周知，差动回路具有增速的作用 ，在液压缸增速回路中应用广泛；平衡阀则具有重力负载保持、负载控制 、负载安全等优 良特性被广泛应用于起重机、汽车吊等提举液压系统中。鉴于两者在液压系统中的诸多优点，对于既有速度要求又有负载平衡安全控制要求的液压系统，可以将两者结合使用，但如果设计不合理，则非但达不到增速的目的，还可能无法开启平衡阀。在港 口装船机设备中使用了差动速降液压系统，其原理如图 l所示。该系统既能满足活动溜槽有重力方向平稳下降的要求，又能实现重物速降的功能，是-个典型的重力速降差动液压回路。在此工况下，活塞杆受负载重力受拉，以下简称挂载工况。

文献1]中提到在差动回路中为防止背压所带来的系统不稳可以使用弹簧腔不与有背压的出口相连的平衡阀；文献3中提到了这种结合设计的案例，但是由于其使用了叠加式液控单向阀，造成了差动情况下无法工作的情形，而其解决方案是使用平衡阀来代替叠加式液控单向阀；文献[4]分析了平衡阀对差动回路的功率特性影响，指出要得到较好的差动回路功率特性，需要将平衡阀的出油口接在低压回路上。

综上所述，由于差动回路的增速特性和平衡阀的优 良特性 ，在实际的工程液压应用中有这方面的需求。本文针对这种情况对三种不同的螺纹插装式平衡阀(标准平衡阀、部分平衡阀、完全平衡阀) 应用在单杆液压缸垂直挂载(受拉)工况下的差动液压回路进行了理论推导与分析，重点对不同类型平衡阀在差动回路中的先导控制压力和负载压力进行理论分析，为今后设计此类液压系统提供理论依据和合理的建收稿 日期 ：2012-10.22作者简介：乌建中(1953-)，男，教授，主要研究方向为机电液控制。

541-油箱；2-液压泵；3-单向阀；4-负载；5-液压缸 ；6-平衡阀；7-二位换向阀；8-三位换向阀；9-溢流阀①-负载口；②- 自由口；③-先导控制口图1差动速降液压系统原理简图1 理论计算对于平衡阀，首先明确以下几个概念：1)先导压力-在平衡阀先导 口施加的压力，可以使阀芯在低于负载压力的控制压力下开启；2)设定压力-使主阀芯在没有先导控制压力的情况下开启的压力 ，也就是平衡阀的溢流压力 ，-般设定压力按130%的最大感应负载压力设定n ；3)导压比-先导面积和溢流面积之比，-般从1.5-10不等。导压比越小，平衡阀开启的控制压力越大，能量损失也越大，但是系统较为平稳；导压比越大则系统的控制灵敏度越高；4)背压-作用在平衡阀自由口上的压力。

第2页 溢体钴幼 控务 2013年第3期1.1逮降工况理论分析在实际工程应用中，当负载在重力方向上既有快速下降要求又有平稳控制要求时，可以使用单活塞杆垂直液压缸作为执行机构，并以有杆腔作为负载腔，利用差动回路的速度特性以及平衡阀的安全控制特性实现速降功能要求。

对如图1所示液压系统进行分析，当负载进行快速下降时，三位四通电磁换向阀8右位线圈得电，二位三通电磁换向阀7线圈得电，形成差动回路。平衡阀在差动回路中的油路走向为① 口走向② 口，此时需要借助平衡阀③ 口的先导控制压力来开启平衡阀，使油液流通。不同的平衡阀，由于内部结构的不同，先导开启压力与设定压力、背压等因素有关，故需分别对其进行分析。在文献[2]中有较为详细的关于平衡阀非差动情况下的开启压力的分析，而差动情况下的开启压力需进行二次推导，以下计算过程均假设油路中的各种压损、阻力都很猩以忽略。

1.1.1标准平衡阀在差动回路中的理论计算对液压缸活塞受力平衡进行分析：PlAl P A3mg (I)对平衡阀阀芯受力平衡进行分析：P ： 丛 ± ! (2) 1 - - L由于差动连接使得：P3P2 (3)将式(1)、(2)、(3)联立求解得到：- mg (4)Ps- ㈦ KSR或者PI P。p3 (6)式中，P 为负载压力，(Pa)；P，为背压，(Pa)；P 为先导压力，(Pa)；P 为设定压力，(Pa)；为导压比；A 为液压缸有杆腔面积，(m2)；A 为液压缸无杆腔面积，(m )；IT/，为负载质量，(kg)；为速比系数(无杆腔与有杆腔作用面积之比)，即为：鲁 南 式中，d为液压缸活塞杆直径，(mm)；D为液压缸内径，(mm)。

从式(4)可以看出：1)差动情况下，平衡阀的开启压力与平衡阀的设定压力、负载和大小腔的面积有关 ，与导压比无关。

2)当系统各元件参数都设定好之后，则开启压力仅和负载变化有关，负载增大，开启压力将减小，当负载不断增大到开启压力降至为零时，平衡阀发生溢流。

1.1.2部分平衡阀在差动回路中的理论计算部分平衡阀在结构上进行了改进，使得阀的溢流开启压力不受背压影响，但是先导开启压力仍与背压有关。同理，可以对其进行计算。

对平衡阀阀芯受力平衡进行分析：： (7)将式(1)、(7)、(3)联立求解得到：惫- ㈦pl P (9)从式(8)可以看出差动情况下，部分平衡阀的开启压力仍然与平衡阀的设定压力、负载和大小腔的面积有关，与导压比无关。

1.1-3完全平衡阀在差动回路中的理论计算完全平衡阀是为了克服标准平衡阀背压的影响而设计的，它的先导开启压力与背压无关 ，是真正意义上的透气型平衡阀。同理，可以对其进行计算。

对平衡阀阀芯受力平衡进行分析：口 ： 二 (10)将式(1)、(10)、(3)联立求解得到：- Ps- mg/"3 aA ). 0c 。 。

amg )，4， l仅 。 。0， 、从式(11)可以看到差动情况下，完全平衡阀的开启压力与平衡阀的设定压力、负载、大小腔的面积以及导压比有关。

2013年5月 乌建中，等：装船机螺旋溜槽速降差动液压系统分析 第 3页1.2挂载速降工况下压力随负载变化分析当液压系统设计完成时，平衡阀的设定压力 ，液压缸的大小腔面积都成了定值，只有负载可能存在波动变化，故平衡阀的先导开启压力以及负载口压力的变化只与负载变化有关。

(1)、比较三种平衡阀开启压力随负载变化情况可以得到如图2所示的先导压力随负载变化关系图。

砖 曼 曲求图2 三种平衡阀先导压力随负载变化关系图从图2中可以看出：1)在挂载差动工况下，以及相同的参数情况下，完全平衡阀开启压力远低于标准平衡阀，这就是为什么当平衡阀存在背压时应使用透气型平衡阀，这可以降低系统的开启压力，降低功耗，改善了标准平衡阀在差动回路中因背压随负载的波动而导致系统不稳定的情况。

2)当先导压力为零时，即当负载mg>p sA 时平衡阀发生溢流。

(2)、三种平衡阀负载压力和先导压力随负载变化情况对比如图3所示。

Ilp- 、 0。 阀；蒌0 0 负载/kg0b 阀：- 00 负载/ 私 Kgc完全平衡阀图3 三种平衡阀 1口、3口压力随负载变化关系图结合之前的公式与图3可以看出：1)差动情况下，标准平衡阀的负载口压力与负载呈反比关系，且与先导压力相差-个设定压力值 ；部分平衡阀的负载口压力恒为设定值，与负载变化无关；完全平衡阀的负载口压力与负载呈正比关系。

2)相同负载下 ，P.与 P 的差值即平衡阀负载口①与自由口② 之间的压差△p，标准平衡阀其压差恒定为设定压；部分平衡阀和完全平衡阀的压差随负载增大而增大。

2 应用实例分析如图4所示为某港 口装船机，其溜槽液压系统设计参数如下：液压缸活塞杆径：80 mm；液压缸缸径 ：140 mm；平衡阀导压比：3：1。

图4 某港口装船机在实际液压系统中分别使用了标准平衡阀和完全平衡阀进行对比，调试过程在空载工况下进行，对不同类型平衡阀在不同设定压力下的开启压力值进行了测试 ，得到如表 l所示的实际开启压力值。

表 1 不同设定压下开启压力实测值(MPa)从表 1可以看出，在设定压力为 15 MPa时使用标准平衡阀的液压系统的最大系统压力达不到理论值30 MPa，故当设定压为为 15 MPa时，空载情况下无法将平衡阀打开。使用完全平衡阀时的开启压力实测值仅为12 MPa，远低于标准平衡阀的理论开启压力。