蘇沛群,鄧志輝,張西良
(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系,江蘇常州 213164;2.江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)
液壓系統(tǒng)中的液控單向閥也稱為“液壓鎖”,由于液控單向閥具有良好的閉鎖性能、無泄漏、長時間保持液壓缸鎖緊定位等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于鎖緊回路、平衡回路和保壓回路中。圖1為內(nèi)泄式液控單向閥的結(jié)構(gòu)簡圖,當(dāng)控制油口PK無壓力油通過時,其功能與普通單向閥相同;當(dāng)控制油口PK通入壓力油時,控制活塞推動閥芯上移,使閥芯保持開啟狀態(tài),油口PA與PB兩腔相通,實現(xiàn)油液的反向流動。
圖1 內(nèi)泄式液控單向閥結(jié)構(gòu)簡圖
在液控單向閥的應(yīng)用回路中,經(jīng)常用到為了克服液壓缸運動過程中的速度不穩(wěn)定或需要控制液壓缸的運動速度而在回路中加設(shè)單向節(jié)流閥 (例加工中心換刀液壓系統(tǒng))。根據(jù)單向節(jié)流閥在回路中的安裝位置不同,可分為單向節(jié)流閥處于液控單向閥與換向閥之間 (如圖2)和單向節(jié)流閥處于液壓缸與液控單向閥之間 (如圖3)兩種基本回路。文中以最常用的不帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥為例,分析液控單向閥在鎖緊回路中不同安裝位置、不同負(fù)載方向的開啟特性。
圖2 單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的鎖緊回路
圖3 單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向 閥之間的鎖緊回路
由圖2可知,液壓缸在任意位置停留時,其活塞上所受到的兩個方向的作用力應(yīng)相等,忽略摩擦阻力等因素,則有:
式中:A1為液壓缸無桿腔面積;
A2為液壓缸有桿腔面積;
F為液壓缸的軸向負(fù)載 (向右為正,向左為負(fù));
p左腔為液壓缸左腔壓力;
p右腔為液壓缸右腔壓力。
設(shè)液壓缸速比=φ,液壓缸負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力=p,則式 (1)改為:F
當(dāng)換向閥換至右位,液壓缸向前 (活塞桿伸出的方向)運動時,與有桿腔出口相連的液控單向閥(圖2中左邊)需反向開啟。若忽略液控單向閥閥芯及控制活塞的摩擦力、液控單向閥的彈簧力和閥芯的重力 (此3項都很小),對圖1液控單向閥閥芯進行受力分析可知,當(dāng)油液反向流動時,閥芯的受力平衡表達(dá)式為:
式中:pK為液控單向閥的控制壓力;
pA為液控單向閥反向進油腔壓力;
pB為液控單向閥反向出油腔壓力;
AK為液控單向閥的控制活塞承壓面積;
AC為液控單向閥的單向閥閥芯承壓面積 (閥座口的面積)。
設(shè)油液通過圖2左邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp;液控單向閥的=M,忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失。由圖2可知:p右腔=pK,p左腔=pA,pB=Δp;代入式 (2)和式 (3)得閥芯的受力平衡表達(dá)式為:
從式 (4)可以看出:液控單向閥的控制壓力pK不僅與負(fù)載F使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF有關(guān),還與液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M、液壓缸的速比φ和回油阻力Δp有關(guān)。
通常情況下M>φ,因此以下分析均以M>φ為使用條件。
(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)荷 (活塞桿受壓)時,則式 (4)為:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
因為液控單向閥反向開啟前油液靜止,所以Δp=0。
液控單向閥反向開啟的必要條件為:
(M-φ)pK≥-φ×pF
無論pK(進油腔)多大,均能反向打開液控單向閥。
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時,則式 (4)為:
①液控單向閥反向開啟的必要條件為:
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
當(dāng)換向閥換至左位,液壓缸向后 (活塞桿縮回的方向)運動時,與無桿腔出口相連的液控單向閥(圖2中右邊)需反向開啟。
設(shè)通過圖2右邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp,忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失,對照圖2可知:p左腔=pK,p右腔=pA,pB= Δp。代入式 (2)和式(3)得:
(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時:式 (7)則為:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
因為液控單向閥反向開啟前油液靜止,所以Δp=0。
液控單向閥反向開啟的必要條件為:
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
液控單向閥反向開啟的必要條件為:
因為M×φ-1>0,所以無論pK(進油腔)多大,均能反向打開液控單向閥。
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
由圖3可得,液壓缸的平衡方程式同式 (1)。
當(dāng)換向閥換至右位,液壓缸向前 (活塞桿伸出的方向)運動時,與有桿腔出口相連的液控單向閥(圖3中左邊)需反向開啟。設(shè):通過圖3左邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp,忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失,對照圖3可知:p右腔=pK,p左腔=Δp+pA,pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:
(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時,同理分析可知:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
(M-φ)pK≥-φ×pF
無論pK(進油腔)多大,均能反向打開液控單向閥。
②液控單向閥開啟后所需控制壓力
無論pK(進油腔)多大,均能使液控單向閥反向開啟工作。
(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時,同理分析可知:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
當(dāng)換向閥換至左位,液壓缸向后 (活塞桿縮回的方向)運動時,與無桿腔出口相連的液控單向閥(圖3中右邊)需反向開啟。設(shè)通過圖3右邊節(jié)流閥的壓力損失為Δp,忽略流過液控單向閥和換向閥的壓力損失,對照圖3可知:p左腔=pK,p右腔=Δp+pA,pB=0。代入式 (2)和式 (3)得:
(1)當(dāng)液壓缸承受正向負(fù)載 (活塞桿受壓)時,同理分析可知:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
(2)當(dāng)液壓缸承受反向負(fù)載 (活塞桿受拉)時,同理分析可知:
①液控單向閥反向開啟的必要條件:
無論pK多大,均能反向打開液控單向閥。
②液控單向閥開啟后所需控制壓力:
無論pK多大,均能使液控單向閥反向開啟工作。
從以上分析可知,液控單向閥安裝位置不同,不影響反向打開液控單向閥的必要條件,但當(dāng)液控單向閥打開工作時,單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向閥之間所需的控制壓力要小于單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的控制壓力。
在忽略液控單向閥的彈簧力、液控單向閥閥芯及控制活塞的摩擦力和閥芯重力的前提下,以上分析可歸納為以下幾點:
通常液壓缸的φ取值范圍為:φ=1.3~2.0;一般內(nèi)泄式液控單向閥的M值范圍為:M=2.5~3.5。
圖4(a)為M值一定時,φ值變化對系數(shù)φ/(M-φ)的影響曲線;圖4(b)為φ值一定時,M值變化對系數(shù)φ/(M-φ)的影響曲線。從圖4(a)中可看出:當(dāng)負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M值一定時,隨著液壓缸速比φ的增加,系數(shù)φ/(M-φ)增大,開啟壓力隨之增大,M值越小,影響越大。從圖4(b)中可看出:當(dāng)pF和φ值一定時,隨著M值的增加,系數(shù)φ/(M-φ)減小,開啟壓力隨之變小,速比φ越大,影響越大。當(dāng)M值較小且φ值較大時,可使最大開啟壓力比pF值大約4倍。所以液壓缸的速比和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能對液控單向閥的開啟壓力產(chǎn)生較大的影響。
圖4 φ、M值對系數(shù)φ/(M-φ)的影響曲線
(2)液壓缸有桿腔進油,無桿腔回油且液壓缸承受正向負(fù)載。由前面分析可知,打開液控單向閥的必要條件是:
圖5(a)為M值一定時,φ值變化對系數(shù)φ/(M×φ-1)的影響曲線;圖5(b)為φ值一定時,M值變化對系數(shù)φ/(M×φ-1)的影響曲線。從圖5(a)中可看出:當(dāng)負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF和液控單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)M值一定時,液壓缸速比φ值越大,系數(shù)φ/(M×φ-1)越小,開啟壓力越小,但影響不大;從圖5(b)中可看出:當(dāng)pF和φ值一定時,M值越大,系數(shù)φ/(M×φ-1)越小,開啟壓力也越小。當(dāng)M值較小且φ值也較小時,系數(shù)φ/(M×φ-1)較大,但最大開啟壓力也僅為0.58pF。
圖5 φ、M值變化對系數(shù)φ/(M×φ-1)的影響曲線
比較圖4和圖5可知,系數(shù)φ/(M-φ)比系數(shù)φ/(M×φ-1)要大許多。
如果M<φ,根據(jù)以上分析可知,在無桿腔進油、有桿腔回油且液壓缸承受反向負(fù)載 (例立式液壓缸的自重)時,無論控制壓力pK升至多高,都無法反向打開液控單向閥,即液壓系統(tǒng)無法正常工作。因此,在液壓系統(tǒng)設(shè)計中,對于液控單向閥應(yīng)用于液壓機等液壓缸速比較大的液壓系統(tǒng)時,一定要核算所選的液控單向閥是否滿足開啟的必要條件,即使是能夠滿足開啟條件的液壓系統(tǒng),為了避免液控單向閥的反向開啟壓力過大而造成系統(tǒng)能耗大、發(fā)熱量大等問題,也一定要合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的液控單向閥。如果所選內(nèi)泄式液控單向閥不能滿足開啟條件或開啟壓力過大,應(yīng)選用帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥。
(1)單向節(jié)流閥在液壓系統(tǒng)中安裝位置不同,不影響反向打開液控單向閥的開啟壓力,但當(dāng)液控單向閥打開工作時,單向節(jié)流閥處于液壓缸和液控單向閥之間所需的控制壓力要小于單向節(jié)流閥處于液控單向閥和換向閥之間的控制壓力。
(2)無論液壓缸受壓還是受拉,只要滿足有桿腔進油時的液控單向閥開鎖條件,就一定能滿足無桿腔進油的開鎖條件。
(3)當(dāng)液壓缸無桿腔進油,有桿腔回油且液壓缸承受反向負(fù)載時,液控單向閥反向開啟所需的壓力最大。M值越大,反向開啟壓力越小;φ值越大,反向開啟壓力越大。當(dāng)M值較小且φ值較大時,液控單向閥的反向開啟壓力可能比負(fù)載使無桿腔產(chǎn)生的壓力pF大好幾倍。
此時若M<φ,無論控制壓力pK升至多高,都無法反向打開液控單向閥。
(4)如果所選內(nèi)泄式液控單向閥不能滿足開啟的必要條件或開啟壓力過大,應(yīng)選用帶卸荷閥芯的內(nèi)泄式液控單向閥。
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