负载反馈型比例多路阀阀芯改进措施

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负载反馈型比例多路阀具有便于调节机械结构的运动速度、有大量插件可供选用 、应用简单等优点，在工程机械上得到大量应用。负载反馈型比例多路阀品牌繁多，选择余地大 ，但也会由此增加液压系统的不确定性。液压设计者须深入分析此比例多路阀阀芯结构，不能按单-的阀芯进行设计 ，需根据不同的液压系统选择不同的阀芯，提出相应的阀芯改进要求，从而避免比例多路阀给液压系统带来的不确定性。

1 问题分析某品牌的负载反馈型比例多路阀曾导致我公司的压缩式垃圾车出现液压油路发热[1]与高空作业车中臂、下臂非平稳下行翻等问题出现，分析原因后认为是 比例多路阀应用 了普通 比例阀的阀芯结构--四通对称阀芯所致。而负载反馈型比例多路阀的阀芯应在四通对称阀芯的基础上改进，才能更大限度地降低 A腔/B腔到 T腔油路的压力损失作者简介：邓江涛(1975-)，男，四川邻水人，工程师，研究方向：工程车辆液压系统设计。

·- -- - 43---Ap (以下同)见图 1，这样才能降低发热，并减少发生因多路阀影响机械结构运动平稳性的问题。

21.阀芯 2.阀体图 1 普通比例阀装配图1.1 普通比例阀结构分析图 1为某普通比例阀工作阀片的装配图。图2为普通比例阀控制对称缸的示意图。

图2 普通比例阀控制对称缸示意图现结合图2分析对普通比例阀设置回油节流从而产生压力损失 AP 是必要的。设定P腔压力为P ，B腔压力为pB，A腔压力为pA，F加载在活塞上的压力为PL，Ot为节流槽角度。

比例阀在调节流量时其P 等于系统压力，多余的液压油从系统的溢流阀溢流。液压缸是对称的，P腔到B腔的流量等于A腔到 T腔的流量，即：Q Q ，又因阀芯的对称结构，故流体从P腔到B腔和 A腔到 T腔的压力损失相等，即：△pP-B△P r(pP- L)/2众所周知 ，对于各种滑阀，通过阀口的流量均可由下式得出：- 44- QCa、/2 Apip (1)A腔/B腔到T腔有节流槽时，则：Qp-BCA X，/-(pp-p-L)/p (2)A腔 /B腔到T腔无节流槽，即 ApTO，则：Qca”%/-2(pp-p-L)/p (3)式(1)至(3)中：C为流量系数；A为 P腔到 A腔 /B腔阀口通流面积 ；A 为有节流槽的 P腔到 A腔 ，B腔阀口通流面积 ；A”为无节流槽的 P腔到 A腔 ，B腔阀口通流面积，m ；Ap为阀El先后压差，Pa；p为流体密度，kg/m 。

分析式(2)、(3)知，流量相同时：A 、/2 A ，又因Akbtg (f为阀芯行程 ，m；b为节流槽宽度，m；k为节流槽数)，则k，b相同时；2 / (z 为有节流槽的阀芯行程、I!，为无节流槽的阀芯行程，in)，即 A腔 ，B腔到 T腔有节流槽的阀芯行程为无节流槽的、/ 倍，这样调节范围更广，调节精度更准。故对于普通比例阀而言，A腔，B腔到T腔有节流从而产生Ap 是必须的。

1.2 负载反馈型比例多路阀液压原理分析图3为负载反馈型比例多路阀液压原理图。

I- ·iv I.iI 1.定差溢流阀 2.单向阀 3.梭阀 4.压力补偿器图3 负载反馈型比例多路阀液压原理图图 3中的定差溢流阀 1或压力补偿器 4先后压差-定，即P腔到 A腔 ，B腔的压力损失为恒定值，- 般为1 MPa，式(2)化为：QsCA、/2/p，则P腔到A腔 /B腔的流量调节范围、调节精度只与 C，A有关，与 Ap 无关。故可以取消 A腔 /B腔到 T腔的节流槽或加大节流槽。

1.3 原负载反馈比例多路阀的缺陷图4为未改进的某品牌负载反馈比例多路阀不0 20 40 6O 80 100 120 140 16O 180 200220流量0 (L/min)图4 阀芯最大行程时压力损失at，同阀芯最大行程时对应不同流量的压力损失 AP图。a，b，c，d，e，f阀芯定义为最大行程时，流体从P腔到 A腔，B腔最大流量分别为5 L/min，10 L/min，25L/min，40 L/min，65 L/min，100 L/min的阀芯。

从图 4可知：此比例多路阀随阀芯、流量、执行元件不同而 Ap 也不同。根据图 4绘制了各种情况下阀芯最大行程时的压力损失 △p (见表 1)。

表 1 阀芯最大行程时的压力损失 △ MPa液压缸(无杆腔回油时)液压 阀芯 无杆腔与有杆腔作用面积比n 马达1.33 1.46 2.0O 3.o0a 0.97 1.35 1.40 2.43 4.78b O.77 1.22 1.56 2.49 4.95C O.68 0.98 1.16 2.00 4.20d O.62 0.89 1.05 1.82 4.10e 0.72 1.18 1.43 2.08f 0.84 l-38 1.78 3.05从表 1可以知道：当此比例多路阀的执行元件为液压马达时，Ap 不大；当此比例多路阀的执行元件为液压缸时，AP 随无杆腔与有杆腔作用面积比(以下简称面积比)凡增加而增加，如阀芯为 b，面积比 为 3时高达 4.95 MPa，甚至更高。

现在探讨阀芯未到最大行程，即在任意位置时的 Ap ，因很多液压设计者和销售人员对比例阀的认识还停留在普通的方向换向阀层面上，认为阀芯行程变孝执行元件进油量将减少，回油量随之减少，则 Ap 减少很多且无法定量。

(1)计算阀芯最大行程时节流面积 A (为了方便计算，则取执行元件为液压马达，流量相等，故CvCp)由式(1)得：舞 乙，n (4)因P腔到 B腔 ，A腔的压力损失 Apal MPa，c阀芯最大行程时，P腔到 A腔/B腔的流量、A腔 ，B腔到T腔的流量都为 25 L/min，Ap 0.68 MPa。则：垒阻 ： f5、ApT QTZp2CTZA则ATI.21A P (6)(2)计算 cT与 cP的关系由样本和表 1知 n3时：主阀芯最大行程时，流体从 P腔到 B腔 /A腔的流量 QF25 L/min，A腔/B腔到 T腔的流量 ：Qa.75 L/min，Apa-4.2 MPa，由式(5)、(6)计算得：/ ，12f 11.46 (7)L，p /因比例多路阀的流量与通流面积成正 比例关系，则 、 在阀芯行程范围内是不变的，设阀芯行程减少导致节流面积减少 △ ，式(4)、(5)、(6)、(7)联解得：ApT6.16 (8)式(5)至(8)中：C为流量系数；A为阀口通流面积，m ；Ap为阀口先后压差，Pa；p为流体密度，kg/m。；为 A腔 ，B腔到 T腔的流量系数 ；Cp为 P腔到 A腔/B腔的流量系数；A 为A腔/B腔到T腔的节流面积，m ；A 为 P腔到 A腔 /B腔的节流面积，m 。

(3)由式(8)绘制出n3时，阀芯行程对应 Ap曲线图，见图5。

综上分析，对称阀芯的比例多路阀 Ap 随面积比凡增加而增加，如此高的压力损失导致液压系统会发生下列故障：(1)液压系统发热、浪费能源。系统流量大于液压缸有杆腔所需进油量时，负载反馈多路阀的溢流阀压力损失与 Ap 成 n倍关系(面积比)，再加上比例多路阀的 Ap ，这样多路阀发热量是很大的。

(2)液压系统不稳定。如果在比例多路阀与液压缸之间加装了平衡阀、液控单向阀，则因为 Ap- - - - - 45·--6 5 4 3 2 1 0 1I广 司 趟 至司 瞩·R出0 1 2 3 4 5 6 7阀芯行程/ram图 5 阀芯行程对应 △导致产生背压，使得平衡阀、液控单向阀阀芯在阀孔里重复滑动导致机械结构高频振动2.31。

(3)影响液压缸活塞杆缩回速度。当液压缸有杆腔进油，无杆腔回油时，根据液压缸力平衡原理：pY5YApSwF (9)式中：AP 为无杆腔压力，Pa；Sw为无杆腔面积，m ；P 为有杆腔压力，Pa；S 为有杆腔面积 ，in ；F为负载，N。

由(9)式可得：得py-/"tApT-，.)Y当PY≤ ApT-，时，液压油从多路阀的溢流阀Y溢流-部分，有杆腔的流量减少导致无杆腔流量减少，从而 AP 减少，这样液压缸活塞杆减速缩回。

(4)对称阀芯与液压缸不相容性，在液压缸换向瞬间，出现巨大的压力跃变，很有可能导致管路振动强烈，以致爆裂 。

2 改进措施由于此负载反馈型比例多路阀应用了普通比例阀的阀芯--对称四通阀的阀芯，给液压系统带来了诸多问题，改进阀芯的结构是势在必行，改进的措施是对阀芯结构进行细分以适应不同的液压系统。

2.1 执行元件为液压缸时选用非对称阀芯执行元件为液压缸时，可以选择非对称阀芯，阀芯流量旧能符合面积比n，这在某品牌负载敏感式比例多路换向阀、片式高压负荷传感多路阀、液压书籍[51中都有详细的介绍。现以面积比n3的液压缸 ，系统流量为 30 L/min，流量调节范围 l5～25- - - - - - 46·---Umin的液压系统为例，分析选用非对称阀芯后的AP 。根据面积比n3，选择阀芯：有杆腔 c型(25Umin)、无杆腔 e型(65 L/min)的阀芯。

当有杆腔按最大 25 L/min进油时，无杆腔回油为75 L/min，查图4的e阀芯，可知压力损失为 0.92MPa，比选用 C型对称阀芯压力损失 4.2 MPa熊多。当无杆腔按最大 25 L/min进油时，有杆腔回油为25/n8.33 L/rain，查样本知阀芯行程在4.8 mm处，c型阀芯在 Aprl MPa时，流量为 11 L/min，故有杆腔的压力损失 ApT

2.2 执行元件不超速运动时选用进油节流，回油非节流阀芯自重及负载不会导致机械在运动过程中超速下降的诚可以考虑选用进油节流口回油非节流的阀芯，这样 AP 大大减少。如直径为 18 mm的阀芯经过改进后 ，回油量为 200 Umin时，△P 只有 0.5MPa左右；回油量为 100 L/min时，APT只有 0.1MPa左右。图6是阀芯改进后装配图(某品牌多路阀结构图)。

我公司的压缩式垃圾车、高空作业车多路阀阀图 6 进油节流、回油非节流阀芯装配图芯未改进前为对称阀芯，导致压缩式垃圾车发热量较大、高空作业车出现中臂及下臂非平稳下降故障现象，按上述方案改制阀芯后，效果十分明显，比例多路阀的 Ap 基本为零，解决了故障现象。改制阀芯所用刀具为 CCMW09T304氮化硼刀粒。

2I3 执行元件超速运动时选用-侧进油、回油节流。另-侧非节流阀芯这种改进的阀芯在现有的液压书籍及比例多路阀样本中都没有介绍，图7是阀芯改进后装配图。

5 4 3 2 1 0 图 7 -侧节流、另-侧非节流阀芯装配图3 实例分析通过-个实例(图 8)来分析选用-侧节流、另- 侧非节流阀芯和传统的对称、非对称阀芯的优劣。已知条件：1)系统流量 Q5O L/rain；系统压力16 MPa；2)液压缸缸径 DI10 mm；杆径 d95 mm，无杆腔与有杆腔作用面积比n3.9；3)重物 G5 000 NM图 8 某工程车尾门液压原理图(1)选用对称阀芯的劣势避免调节死区，选择 e型(65 L/mm)阀芯。液压缸上行，无杆腔的流量达到 200 L/rain(计算省略)，查图4，△p >5 MPa，根据式(9)及已知条件分析将严重地影响上行速度。

为了不影响上行速度可以选择 f型(100 L/min)阀芯。液压缸下行时，重物加载在有杆腔的压力为 2MPa(计算省略)，代入式(5)得 pP：0.7 Q ，而液压缸下行时QP ·QT3.9 ，故无杆腔将产生真空即气穴现象。

(2)选用非对称阀芯的劣势根据上面的分析非对称阀芯可选择有杆腔 e型(65 L/min)、无杆腔 f型(100 L/rain)的阀芯 ，按(1)项方法分析后 ，液压缸下行 ，无杆腔也会产生真空即气穴现象∩以选择有杆腔 c型(25 L/rain)、无杆腔 f型(100 L/rain)的阀芯，但影响液压缸上行速度。

(3)选用改进后阀芯的优势用图7改进后的-侧节流、另-侧非节流的阀芯很好地满足图8的液压系统：液压缸下行时，液压油无节流地从 P腔到 A腔，达到液压缸无杆腔，推动活塞杆下行，有杆腔的液压油经过 B腔节流到T腔回油箱，这个阀芯节流的功能是在液压缸有杆腔产生-定的背压来克服重物同时调节下行速度；液压缸上行时，液压油节流的从 P腔到 B腔达到液压缸有杆腔，推动活塞杆上行，无杆腔的液压油经过A腔无节流地到T腔回油箱，即A腔到 T腔通过流量大、无压力损失，这个阀芯节流的功能是调节上行速度。

4 建议当前工程机械液压现状是主机厂给液压元件厂提相关要求，但因诸多原因导致液压元件厂无法满足主机厂的要求，使得国内有几家主机厂成立了液压元件分公司研制、生产满足自己要求的产品。同理，液压设计者根据液压系统设计需求，向几大进口品牌公司提出负载反馈型比例多路阀的不同阀芯技术要求 ，对方会因产量、周期的原因难以满足液压设计者的要求。因此，我们不妨在国内组织厂家生产，这是缩短周期及提高国内液压水平的-个很好选择。