纯水低压大流量先导式电磁控制阀组试验研究

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阀控偶合器是-种采用纯水作为工作介质的新型偶合器，通过逐渐充液完成平缓起动过程，并可根据工作液温度、腔内压力及时更换工作液，达到可控调速和限制工作温度的目的，与靠勺管调节的普通调速型偶合器相比，阀控偶合器结构紧凑、响应快。低压大流量电磁控制阀组是大功率阀控偶合器的核心部件之-，控制着偶合器工作腔的充、排液过程，其通流能力、响应特性对偶合器的调控性能有着直接影响。阀控偶合器对控制阀组的基本要求是：开启压力低、大流量介质通过时压降小，且要具有快速的响应特性。

近年来，在液压系统的研究中，纯水液压是流体传动及控制领域新的发展方向之- 。与传统矿物型液压油相比，水介质具有清洁环保、来源广泛、防爆阻燃等独特优势 J。目前国内外针对水介质电磁阀的研究多集中在高压阀4 J，专门针对低压阀的研究较少。国内外对各种工作介质的阀的研究，-方面通过搭建试验台进行试验研究 ，另-方面大多采用计算流体动力学的方法从机械和液力的角度进行探讨 J。

我们建立了大流量电磁阀组试验系统，对控制阀组进行独立的性能试验，包括单阀的开启压力、稳定流动压力、响应特性等，考察各指标与阀控偶合器的适应能力。

1 控制阀组设计与原理阀控偶合器安装在电动机与减速器之间，通过工作液体将泵轮和涡轮柔性”连接起来实现扭矩的传递，对于长运距、大功率刮板输送机的正常起动和平稳运行起着至关重要的作用。

阀控偶合器采用半开式工作回路 ，控制阀组需实现 3个基本功能：充液、循环和排液。如图 1所示，工作液经过充液阀达到偶合器人口，完成充液过程；从偶合器出口排出的高温液体，经冷却器冷却后，从循环阀返回偶合器中；从冷却器流出的液体，若不经过循环1.充液阀 2.循环阀 3.排液阀图1 工作介质循环模式收稿 日期：2013-01-23基 金 项 目：十 - 五”国家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目(2008BAB36B04)作者简介：刘磊(1986-)，男，江苏徐州人，博士研究生，主要从事液压传动与控制方面的科研工作。

56 液压与气动 2013年第 3期阀，则直接从排液阀排出系统。排液阀和循环阀工作于联动模式，即-个打开时，另-个关闭∝制阀组中3个阀均为开关阀，阀间的不同工作状态组合对应着偶合器的不同工作模式。对它们的特性要求是通流能力要大(流量大于240 IMmin)，进液阀工作压力要低于电磁阀先导阀的最高工作压力 1.6 MPa，对于循环液通过的循环阀和排液阀，其工作压力还要小于偶合器固定喷嘴所能提供的最大压力 0.6～0.88 MPa，响应快、液阻力小，同时具有-定的抗阻塞能力。

将 3个相同主阀芯进行组合，设计了控制阀组(图2)。循环阀为柱塞式，具有较好的耐压、耐冲击性能和高温适应性；先导阀由3个二位二通阀控制。其中，进液阀和循环阀出口与偶合器入口相通；排液阀和循环阀进口相通，均接循环液。3个主阀分别由相应的二位二通先导阀进行控制，图中虚线表示连通主阀弹簧腔和先导阀的孔道。由于偶合器人口无背压，所以进液阀和循环阀的相互影响较弱。循环阀与排液阀有相同的人口，且需联动操作，即-个开启的同时，另- 个关闭，因此相互间耦合作用较强。

1.进液 阀 2.循环阀 3.排液阀 4.先导 阀图2 整阀结构图2 控制阀组试验研究2.1 性能测试试验方案控制阀组额定流量要在 240 IMmin以上，-般试验系统难以满足要求，为此利用现有多级离心泵，搭建了简易试验平台。多级离心泵的主要参数如下：流量为20 m /h；扬程为 162 1TI；转速为2900 r/min；功率为22 kW 。

阀组试验系统原理如图 3所示 ，系统压力由手动节流阀 2调定，工作过程 中节流口不可变 ，故在系统负载变化时，离心泵需较长时间方能建立起稳定压力。

试验中，供液流量通过流量计 4直接读取，主阀人口压力则通过压力变送器 5，6获得，并由采集卡送到计算机中观察和存储；为便于测量响应特性，电磁先导阀的电压信号也由采集卡采集并由计算机存储，采集卡的采样频率 1000 Hz，可精确反应出响应时间。

为防止杂质造成主阀节流孔和先导阀的阻塞，在系统中设置了精过滤器3。

1.水泵 2.节流阀 3.精过滤器 4.流量计 5、6.压力变送器7.进液阀 8、10、12.电磁先导阀 9.循环阀 11.排液阀图3 阀组试验系统原理图2.2 内容及结果1)开启压力如图3所示，将节流阀2开口调至最大，供液压力降至最低，保持先导阀8处于通电状态(此时先导阀处于开启状态)。缓慢调节节流阀，使压力逐渐升高，观察压力及流量变化，当排液口有水流出时，记录下此点压力值，即为最歇启压力；另外当阀口打开时，压力会出现下降，因此可通过记录下的压力曲线拐点来判断。图4给出了进液阀入口压力的变化(横坐标为数据记录的相对时刻，下同)，当压力达到 0.22～0.23MPa时，产生了明显的跌落，说明阀芯开启。据此判断，进液阀的开启压力为0.22 MPa左右。

-枣.R出10：畜0时间/s图4 开启压力2)响应特性分别将调定人 口压力调为 0.4 MPa、0.8 MPa和1.5 MPa，研究不同供液压力下阀芯开启和关闭过程的压力变化，即响应特性。泵的压力建立过程比较缓慢，稳定时间较长，故将每次启闭过程在两幅图上显示，分别表示开启和关闭过程，图5中左图代表开启过程，右图代表关闭过程。

2013年第3期 液压与气动 57萎琴0.5 r - 140'35 r ]垂奋i c.i量量要蓦誊置要曩 昌 善专专 ot-q 7-，i 蓦蟊 、 N n n n n n n ·时间，s a)入口压力0.4MPa时间/时间/ b)入口压力0.8 MPa 时间/之出撼014l21O8之6出42O图 5 不 同压 力下的启闭特性开启过程，电磁先导阀通电后先导阀芯快速开启，主阀芯进口处压力随电磁阀电压的突然变化而产生小的压力波动，该波动为先导阀芯的稳定过程，随后主阀芯开始打开，压力出现快速下降，至开度最大附近，出现-个拐点，拐点后压力平缓下降。平缓下降过程为泵重新建立起新的压力平衡过程，故开启时间可认为从得电至拐点时间段。

关闭过程中随先导阀的关闭，也是首先出现-个压力脉冲，然后经-个平直段后上升，至高点后出现-个快速下降和波动，随之压力平缓上升。阀芯完全关闭后，不能马上恢复到开启前压力，压力跌落后的缓速上升同样是泵压力重新建立过程，而高点处的波动则是阀芯完全关闭后造成的冲击和回流，所以关闭过程应从通电开始到图中压力最高点。

开启过程约为0.3-0.4 s(不代表完全开启，开度相对稳定)，进 口压力越大，开启时间越小，但变化幅度很校整个关闭过程在 1 S左右，存在平直段和上升段两个过程。

图5阀芯开启后，保持了较长-段时间，关闭前压力处于基本稳定状态，为对应的低压状态流量特性。

0.4 MPa、0.8 MPa和 1.5 MPa供液压力下的稳定流量分别为90 L/min、140 L/min和 190 L/min，关闭前压力保持在 0.1 MPa附近。在流量 190 L/rain时压损最小，为0.07 MPa左右，该值与仿真过程的 240 L/min流量下压降较为接近。流量小时液动力小，为克服弹簧力 ，建立平衡关系，需较大压差(阀口开度小)，因此会产生较大压降，但压力整体压力处于较低状态。

上述各项试验表明，所设计阀组具有较好的低压特性和快速的响应特性：开启压力为 0.22 MPa、流量为 190 L/min时稳定压力为 0.07 MPa；开启时间为0.3～0.4 S，关闭时间为 1 S左右，循环液人口响应时间约 l1 s。

3 结论(1)根据半开式回路进液阀、循环阀和排液阀间的逻辑关系设计了电磁控制阀组。为使得其具有更好的耐压、耐冲击性能和高温适应性，循环阀由膜片式改为柱塞式。先导阀由3个二位二通阀控制；(2)搭建电磁阀组试验平台，对控制阀组进行的动态响应特性等试验。试验结果表明所设计阀组具有较好的低压特性和快速的响应特性 ，并且单阀的开启压力、稳定工作压力均较小，满足低压大流量需求。