潘文龍，張懷亮, 2，王蔚坪

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基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓鎖緊回路背壓閥的選型方法

潘文龍1，張懷亮1, 2，王蔚坪1

(1. 中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083； 2. 中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

針對(duì)振動(dòng)環(huán)境下背壓閥對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響，建立節(jié)流閥、順序閥及平衡閥作背壓閥的3種鎖緊回路的仿真模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該仿真模型的正確性。對(duì)比分析在基礎(chǔ)振動(dòng)下空載、定載和變載時(shí)這3種背壓閥對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響，得到基礎(chǔ)振動(dòng)以及負(fù)載對(duì)液壓缸的速度影響曲線(xiàn)。研究結(jié)果表明：基礎(chǔ)振動(dòng)下定載及負(fù)載變化在0~90 kN時(shí)，節(jié)流閥和順序閥背壓相對(duì)平衡閥背壓有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，當(dāng)交變載及變載大于100 kN時(shí)，平衡閥的穩(wěn)定性相對(duì)更好。該方法能夠?yàn)橐簤烘i緊回路背壓閥的選型提供一定的參考。

背壓閥；鎖緊回路；基礎(chǔ)振動(dòng)；選型；動(dòng)態(tài)特性

液壓鎖緊回路廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械液壓支撐系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)，起重運(yùn)輸機(jī)械等液壓系統(tǒng)中[1]。在液壓鎖緊回路中為了使回油管路保持一定的壓力，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作平穩(wěn)，就需要使用背壓閥。為了保證在工作過(guò)程中的安全和工效，要求液壓鎖緊回路具有良好的動(dòng)態(tài)特性。而工程機(jī)械在工作過(guò)程中由于外部的劇烈沖擊和內(nèi)部脈沖油液的雙重作用，使得液壓閥元件以及整個(gè)液壓系統(tǒng)受到劇烈的振動(dòng)，導(dǎo)致閥芯與閥體產(chǎn)生不正常的相對(duì)移動(dòng)，這將會(huì)引起閥芯不正常的開(kāi)閉及振顫，造成整個(gè)回路流量、壓力及液壓缸活塞的波動(dòng)加大，影響液壓鎖緊回路的正常工作[2?3]。根據(jù)在回油管路中接入的背壓閥和工作環(huán)境的不同，鎖緊回路的工作性能也有所差異，因此，研究振動(dòng)環(huán)境下液壓鎖緊回路背壓閥的選型方法有必要性。針對(duì)液壓鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。葛玉柱等[4]介紹了幾種常見(jiàn)的液壓限速與鎖緊回路，并概述了幾種回路的優(yōu)點(diǎn)與存在的不足，并針對(duì)各個(gè)回路的不足給出了改進(jìn)措施。張安等[5]針對(duì)液壓鎖緊回路在工作時(shí)存在的不穩(wěn)定的問(wèn)題進(jìn)行了建模，分析后認(rèn)為系統(tǒng)背壓設(shè)定不合理是導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要原因。CASOLI等[6?7]使用理論分析及軟件仿真，針對(duì)挖掘機(jī)的液壓回路進(jìn)行了灰箱建模。仿真結(jié)果很好地指導(dǎo)了挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試。TANG等[8]使用了傳遞函數(shù)法來(lái)研究液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，得出系統(tǒng)在時(shí)域和頻域的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。RITELLI等[9]研究了使用平衡閥做背壓的起重臂液壓鎖緊回路的動(dòng)態(tài)特性，提出了一種系統(tǒng)的研究方法來(lái)確定回路最佳參數(shù)。胡陽(yáng)等[10]對(duì)幾種典型的液壓鎖緊回路進(jìn)行仿真，得出了壓力位移的時(shí)域響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。伍小東等[11]對(duì)比分析了幾種典型鎖緊回路位置鎖定的可靠性，得出了鎖緊回路中不同鎖緊元件的開(kāi)啟及保持開(kāi)啟的條件。季清華[12]研究了鎖緊回路的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明改變控制油口直徑，液壓缸負(fù)重，調(diào)整彈簧預(yù)緊力及彈簧剛度等參數(shù)對(duì)平衡閥的開(kāi)啟性有顯著的影響。梁宏喜[13]研究了液壓平衡回路，對(duì)使用板式平衡閥及螺紋插裝式平衡閥的平衡回路進(jìn)行了仿真建模與分析。鄒偉[14]在考慮了基礎(chǔ)振動(dòng)影響的因素下，對(duì)液壓缸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究；袁堅(jiān)[15]對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)下比例調(diào)速閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，研究顯示較大的基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)液壓元件的動(dòng)態(tài)性能有不容忽視的影響。從以上研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的研究較多，但是集中于考慮系統(tǒng)參數(shù)，回路背壓等因素的影響，鮮少文獻(xiàn)考慮實(shí)際工況中振動(dòng)及變載對(duì)其的影響。因此，研究基礎(chǔ)振動(dòng)下背壓閥對(duì)液壓鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原理

圖1所示為一種由2個(gè)液控單向閥組合而成的液壓閥，俗稱(chēng)“液壓鎖”，在液壓缸的進(jìn)、回油路中都串接液控單向閥。換向閥處于中間位置時(shí)，液壓泵卸荷，輸出油液經(jīng)換向閥回油箱，由于系統(tǒng)無(wú)壓力，液壓缸左右兩腔的油液均不能流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙向閉鎖。

圖1 液控單向閥鎖緊回路

1 N/mm背壓閥是根據(jù)閥的功能而命名的一類(lèi)可以形成一定壓力的閥，其是通過(guò)彈簧的彈力來(lái)工作的。當(dāng)系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力小時(shí)，膜片在彈簧彈力的作用下堵塞管路；當(dāng)系統(tǒng)壓力比設(shè)定壓力大時(shí)，膜片壓縮彈簧，管路接通，液體通過(guò)背壓閥。主要對(duì)使用較為廣泛的節(jié)流閥、順序閥、平衡閥這3種背壓閥進(jìn)行 研究。

2 仿真模型

在液壓仿真領(lǐng)域中AMESim是一款優(yōu)秀的軟件，它基于鍵合圖理論將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成一些基本的元素，為流體動(dòng)力學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)及控制系統(tǒng)等領(lǐng)域提供了一個(gè)卓越的仿真環(huán)境[16?17]，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、車(chē)輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域。

2.1 雙向液控單向閥建模

在軟件中，沒(méi)有直接的雙向液控單向閥模型，因此需要使用內(nèi)置的液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)自行搭建雙向液控單向閥的仿真模型。在模型中，雙向液控單向閥由2個(gè)液控單向閥及控制活塞組成。液控單向閥由一端帶彈簧的活塞模塊、帶位置限定的單自由度慣性質(zhì)量模塊、錐閥座孔模塊組成?？刂苹钊膬啥朔謩e有一個(gè)接觸彈簧模塊，用以模擬控制活塞與閥芯之間的間隙。雙向液控單向閥仿真模型如圖2所示。

設(shè)置模型的仿真參數(shù)時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況來(lái)確定，主要模型參數(shù)如表1所示。

圖2 雙向液控單向閥仿真模型

表1 雙向液控單向閥模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 換向閥建模

在進(jìn)行仿真建模時(shí)，根據(jù)三位四通換向閥結(jié)構(gòu)選擇液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)中的模塊，仿真模型如圖3所示。

換向閥模型的主要元件結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖3 三位四通換向閥仿真模型

表2 換向閥模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 帶負(fù)載液壓缸建模

在實(shí)際的工況中負(fù)載十分復(fù)雜，這里以TBM后支撐液壓缸作為研究對(duì)象，使用液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)中的接觸彈簧模塊實(shí)現(xiàn)液壓缸與地面接觸碰撞的過(guò)程[18]。仿真模型如圖4所示。

在帶負(fù)載液壓缸的主要模型仿真參數(shù)如表3 所示。

圖4 液壓缸仿真模型

表3 液壓缸模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 順序閥及平衡閥建模

仿真模型分別如圖5和圖6所示。

春夏之夜宵與秋冬之夜宵，大不相同。我以前去過(guò)次廣州，晚上光腳穿人字拖去吃腸粉燒鵝時(shí)，不覺(jué)想到《胭脂扣》里萬(wàn)梓良吃夜宵，遭遇女鬼梅艷芳?；蛘呤鞘芰诉@場(chǎng)景影響，廣東小吃味道之細(xì)罕有其匹，但沒(méi)有秋冬天吃飯，那種“吃出汗來(lái)”的亢奮。

模型仿真參數(shù)如表4所示。

2.5 液壓鎖緊回路建模

圖7所示為鎖緊回路原理圖。根據(jù)前面搭建的換向閥、雙向液控單向閥及帶負(fù)載液壓缸的仿真模型，組合成基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓鎖緊回路的仿真模型，如圖8所示。

圖5 順序閥仿真模型

圖6 平衡閥仿真模型

表4 順序閥及平衡閥模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖7 鎖緊回路原理圖

圖8 鎖緊回路仿真模型

3 模型驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，分析不同振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)頻率下液壓缸活塞的速度波動(dòng)值，將仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)系統(tǒng)、負(fù)載模擬液壓系統(tǒng)、鎖緊回路及其他液壓系統(tǒng)。其中，負(fù)載模擬液壓系統(tǒng)的動(dòng)力由定量泵2提供，動(dòng)力缸11可以對(duì)負(fù)載模擬液壓缸進(jìn)行拖拽，慣性負(fù)載10可以模擬液壓系統(tǒng)啟停時(shí)活塞桿及其附件產(chǎn)生的慣性力。實(shí)驗(yàn)的鎖緊回路所在液壓系統(tǒng)的動(dòng)力由變量柱塞泵18提供，鎖緊回路由Y型中位三位四通換向閥14、雙向液控單向閥13、節(jié)流閥12及動(dòng)力缸11組成；通過(guò)換向閥的控制電路實(shí)現(xiàn)動(dòng)力缸的工進(jìn)、工退及中位鎖緊的功能。利用L620M振動(dòng)臺(tái)模擬基礎(chǔ)振動(dòng)的環(huán)境。在動(dòng)力缸11的無(wú)桿腔處接入流量、壓力傳感器，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)EN880無(wú)紙記錄儀連接至電腦。實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)裝置的流量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理間接采集活塞桿速度數(shù)據(jù)。表5所示為液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要元件。

1—過(guò)濾器；2—定量泵；3—單向閥；4—溢流閥；5—電磁換向閥；6—減壓閥；7—單向閥；8—溢流閥；9—加載液壓缸；10—慣性負(fù)載；11—?jiǎng)恿σ簤焊祝?2—單向節(jié)流閥；13—雙向液控單向閥；14—換向閥；15—溢流閥；16—換向閥；17—調(diào)速閥；18—變量柱塞泵。

表5 液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要元件

3.2 驗(yàn)證分析

在回路出口處串接一個(gè)流量傳感器。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)的頻率為40 Hz，振動(dòng)強(qiáng)度從0(為重力加速度)變化到10，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析并與此條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)的強(qiáng)度為6，振動(dòng)頻率從20 Hz變化到100 Hz，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11所示。頻率為20~40 Hz時(shí)壓力波動(dòng)呈上升趨勢(shì)，在振動(dòng)頻率為40 Hz附近處存在一個(gè)共振區(qū)，當(dāng)頻率越過(guò)共振區(qū)時(shí)壓力波動(dòng)的幅值迅速減小。

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知：同頻率下活塞速度波動(dòng)隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大，最大誤差為1.15×10?4m/s，平均誤差為0.67×10?4m/s；同強(qiáng)度下在40 Hz處活塞速度波動(dòng)有最大值，最大誤差為0.88×10?4m/s，平均誤差為0.66×10?4m/s。兩者的數(shù)值存在一定程度的偏差，這是因?yàn)榉抡嬷泻雎粤吮玫牧髁繅毫γ}動(dòng)及一些摩擦因素，但兩者的變化趨勢(shì)具有較好的擬合度，可以驗(yàn)證基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性仿真模型的正確性。

1—實(shí)驗(yàn)值；2—仿真值。

1—實(shí)驗(yàn)值；2—仿真值。

4 對(duì)比分析

對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)下3種背壓閥的典型液壓鎖緊回路進(jìn)行仿真對(duì)比分析，設(shè)定基礎(chǔ)振動(dòng)頻率為40 Hz，強(qiáng)度為6，找出負(fù)載及振動(dòng)對(duì)其的影響規(guī)律，為液壓鎖緊回路背壓閥的選型提供參考。

4.1 基礎(chǔ)振動(dòng)下空載時(shí)背壓閥對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響

換向閥在2 s時(shí)開(kāi)啟換向，得到液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)。如圖12所示，使用節(jié)流閥做背壓的回路速度波動(dòng)最小，幅值為1.0 mm/s，用順序閥做背壓的回路速度波動(dòng)稍大，幅值為1.5 mm/s，而平衡閥做背壓的回路在這種基礎(chǔ)振動(dòng)條件下速度波動(dòng)最大，幅值高達(dá)2.8 mm/s。在基礎(chǔ)振動(dòng)下單向節(jié)流閥背壓及順序閥背壓比平衡閥背壓有更好的穩(wěn)定能力。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

4.2 基礎(chǔ)振動(dòng)下定載時(shí)背壓閥對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響

負(fù)載為40 kN，調(diào)整節(jié)流口大小使3種回路活塞運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致，換向閥在2 s時(shí)開(kāi)啟換向，得到液壓缸活塞桿的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，如圖13所示，使用平衡閥的回路開(kāi)啟時(shí)超調(diào)量較小，節(jié)流閥的超調(diào)量較大，這是因?yàn)楣?jié)流閥的壓降與流速正相關(guān)，在回路開(kāi)啟前回油側(cè)無(wú)背壓，會(huì)造成超調(diào)量較大，而使用順序閥的回路需要經(jīng)過(guò)0.2 s的調(diào)整，速度才能穩(wěn)定下來(lái)。

三位四通換向閥在6 s時(shí)切換為中位鎖緊，圖14所示為液壓缸活塞桿速度動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)。從圖14所示可以看出：使用順序閥做背壓閥的回路其關(guān)閉特性最佳，其超調(diào)量較節(jié)流背壓的小近40%。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

4.3 基礎(chǔ)振動(dòng)下變載時(shí)背壓閥對(duì)鎖緊回路動(dòng)態(tài)特性的影響

在鎖緊回路的液壓系統(tǒng)中除了恒定的負(fù)載外，還存在著負(fù)載變化的情況，因此回路對(duì)負(fù)載變化的順應(yīng)能力也是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。仿真時(shí)在恒定的負(fù)載上疊加上1個(gè)斜坡信號(hào)，模擬在4 s內(nèi)，負(fù)載由?40~?120 kN的情況。

換向閥在2 s時(shí)開(kāi)啟換向，得到在此負(fù)載下液壓缸活塞桿的速度動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，如圖15所示，在2 s處經(jīng)過(guò)換向閥的換向、超調(diào)后，速度都穩(wěn)定在12.5 mm/s，隨著負(fù)載的繼續(xù)增加，可以看出：使用平衡閥背壓的回路的速度穩(wěn)定性非常好，速度僅略有增加。使用節(jié)流閥背壓的回路的速度隨著負(fù)載的增加而逐漸增加，因?yàn)楣?jié)流閥的節(jié)流面積在此過(guò)程中并沒(méi)有調(diào)整，負(fù)載增大，速度也隨之改變。使用順序閥背壓的回路在一小段時(shí)間內(nèi)速度近乎沒(méi)有變化，這是因?yàn)轫樞蜷y產(chǎn)生的背壓仍能平衡掉負(fù)載力，在2.8 s開(kāi)始，負(fù)載力超過(guò)了順序閥的調(diào)定背壓，此時(shí)將加速下滑，同時(shí)驅(qū)動(dòng)腔的壓力會(huì)降低到負(fù)值，這在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)造成驅(qū)動(dòng)腔中油液有氣體析出，這會(huì)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

因此使用順序閥做背壓閥時(shí)應(yīng)正確調(diào)定壓力，圖16所示為將順序閥的開(kāi)啟壓力提高1倍后的速度動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)。從圖16可以看出：速度失控所需的負(fù)載大大提高了。當(dāng)然，過(guò)高的背壓將使得驅(qū)動(dòng)腔的工作壓力增加，增加回路的能量消耗，同時(shí)增大回流的壓力損失，造成回路中油液溫度的增加。因此，在使用順序閥做背壓閥時(shí)應(yīng)正確設(shè)定好壓力，一般工程應(yīng)中在平衡掉負(fù)載力后，驅(qū)動(dòng)腔壓力不超過(guò)1 MPa。

為研究這3種回路對(duì)交變負(fù)載的響應(yīng)特性，圖17所示為在原本固定負(fù)載的基礎(chǔ)上疊加1個(gè)頻率為 1 Hz，幅值為40 kN的正弦波動(dòng)的信號(hào)。

從圖17可以看出：3種回路的推進(jìn)速度都隨著負(fù)載的變化而表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。使用順序閥背壓的回路在這種交變負(fù)載作用下表現(xiàn)最為穩(wěn)定，近似為正弦波動(dòng)。而節(jié)流閥做背壓的回路在負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性比順序閥的稍差。使用平衡閥做背壓的回路在這種交變負(fù)載下，平均速度較其他2種回路的高，但存在著抖動(dòng)現(xiàn)象且衰減較慢。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

1—節(jié)流閥；2—順序閥；3—平衡閥。

5 結(jié)論

1) 建立了基礎(chǔ)振動(dòng)下液壓鎖緊回路仿真模型，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。

2) 在固定負(fù)載及負(fù)載變化在0~90 kN的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮單向節(jié)流閥背壓及順序閥背壓；對(duì)于交變載及負(fù)載變化大于100 kN的情況下應(yīng)使用平衡閥 背壓。

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(編輯 楊幼平)

Selection method of hydraulic lock circuit counterbalance valve with foundation vibration

PAN Wenlong1, ZHANG Huailiang1, 2, WANG Weiping1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of High Performance and Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Focused on the impactof counterbalance valveon lock circuit’s dynamic characteristic in vibration environment, the simulation models for three kinds of lock circuits with the throttle valve, sequence valve and balance valve which are used as counterbalance valve were established, and experimentally verified. A curve was obtained showing the foundation vibration and load influence on hydraulic cylinder speed, by comparing the effects of counterbalance valve under the condition of no load, constant load and variable load on lock circuit’s dynamic characteristic. The results show that compared to using balance valve as counterbalance valve, using throttle valve and sequence valve has a better stability under the condition of vibration environment in constant load and with the variable load between 0?90 kN, but balance valve has better stability when alternate load and the variable load is larger than 100 kN. New method provides a reference for counterbalance valve selection in lock circuit.

back-pressure valve; locked loop; foundation vibration; selection; dynamic characteristic

TH137

A

1672?7207(2018)04?0839?09

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.04.010

2017?04?16；

2017?06?03

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB035400)(Project(2013CB035400) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

張懷亮，博士，教授，從事液壓動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)研究；E-mail：zhl2001@csu.edu.cn