负荷传感出口压力补偿回路的阻尼特性研究

罗艳蕾 陈伦军

贵州大学，贵阳，550025

0 引言

目前较为先进的工程机械液压系统都采用了负荷传感（load sensing）与压力补偿技术［1］。负荷传感压力补偿多路阀是随着液压技术的发展而出现的一种新型液压元件，它由普通多路阀与压力补偿阀等液压元件集成，当压力补偿阀设置在多路阀的出口油路中，它具有一些独特的特性［2－4］：能根据负载大小对负荷传感泵进行控制，实现按需供液；能实现单液压泵驱动多执行机构的复合动作，液压系统简单，并能使同时工作的几个执行元件在运动时互不干扰；在复合操作时，能实现与负载无关的流量分配，即各工作回路的速度不受负载变化的影响；负载波动大时，由于具有压力补偿作用，可消除因液动力变化造成的主阀芯上作用力的变化等。因此负荷传感压力补偿多路阀组成的液压系统可以实现液压系统流量、压力以及功率的匹配控制，使系统具有良好的节能特性和操控特性。正是由于它具有的这些独特特性，国外将其广泛应用于挖掘机、起重机、装载机等机械中，特别是由于它可以采用单泵源供油实现多执行机构的复合动作，在工程机械、公路机械、农业机械中也具有良好的应用前景。

当复合动作的多回路负载压力不同或压力发生变化时，在小负载回路中的压力补偿阀起压力补偿作用，为了有效减小系统压力脉动的影响，补偿阀中设置阻尼孔是必不可少的。本文分析出口压力补偿阀及其阻尼孔的作用，建立压力补偿过程的容腔压力变化的数学模型，分析结构尺寸对容腔压力波动的影响，为补偿阀设计提供理论分析依据。

1 负荷传感压力补偿回路组成

以两回路为例，负荷传感多路阀的出口压力补偿回路组成原理［5］如图1所示。压力补偿阀5、6设置在主阀3、4的出口处，最高负载压力信号直接取自负荷传感（LS）流道（图中虚线），没有梭阀结构，两部分之间直接通过液压容腔相连，由压力、流量实现两部分之间的耦合，因此容腔中的压力脉动情况对补偿阀稳定工作影响较大。

在某一工况下，由多路阀的结构保证了LS流道压力pLS取系统的最大负载压力。若只有一个工作回路工作，pLS即为该回路的工作负载压力；若有多个回路工作，为同时工作回路最大的负载压力，如图1中，pLS＝max（p2，p4）。

压力补偿阀5、6可实现的功能有：能够控制执行机构的运动方向和运动速度；补偿负载压力的变化，使得各个换向阀进出口压差不随负载变化；取出执行机构回路的最高压力，一是供自身进行压力补偿调节，二是作为负荷传感泵1进行调节控制的反馈信号。

图1 负荷传感多路阀出口压力补偿回路组成原理

2 出口压力补偿阀的简化物理模型

根据压力补偿阀的结构和工作原理，得到图2所示的压力补偿阀的简化物理模型。多路阀主阀的进油路和回油路分别简化为节流口d1和T口；A口为执行机构的工作油路；B口为执行机构的回油路；h口为减压口；f为补偿阀芯中的固定薄壁小孔；g为补偿阀芯中的细长孔流道，其作用是联通压力补偿阀入口油液和LS流道油液，根据工作过程中压力补偿阀阀芯所处位置的不同，细长孔g与LS口之间打开或关闭；k为旁通阻尼孔；Vsq为压力补偿阀芯上腔体积；Vxq为压力补偿阀芯下腔体积；pb为泵的出口压力；p1为多路阀主阀节流口d1的出口压力，即补偿阀的入口腔油液压力；p2为负载口A对应的压力；pg为细长阻尼腔g的压力；pLS为LS流道的压力，即多回路同时工作时最大负载对应的压力；pk0为旁通油回油路的压力，x为补偿阀阀芯的位移。

图2 压力补偿阀的简化物理模型

3 旁通阻尼孔k的作用

在实际工作过程中，压力补偿阀不断地进行上下补偿运动，补偿阀的上腔体积不断改变，使得LS流道中的压力会随之产生波动。若不设置阻尼孔k，则流道中会出现压力波动峰值、产生困油、引起多路阀的振动和噪声等现象，严重时产生气穴和气蚀。设置阻尼孔k，可减小压力波动、降低噪声、提高系统稳定性，设置的阻尼孔结构尺寸有要求，如果孔径太大或阻尼孔长度太小，则阻尼作用太小，无法建立LS流道所需的压力，同时使泄漏流量增加，增大了系统的能量损失；反之，阻尼孔易堵塞，阻尼作用太大，不能正常发挥作用。

因此，旁通阻尼孔的作用是在保证建立LS流道压力的同时，使少量油液流回油箱或从油箱吸入少量油液，以补偿在压力补偿过程中产生的流量脉动量，防止LS流道出现困油现象，并削弱部分压力的脉动量。合理设计阻尼孔k的结构尺寸，可使LS腔油压升压速度变缓，增强系统动态稳定性。

4 压力补偿阀旁通阻尼孔数学模型的建立

根据流量压力方程、流量连续性方程及补偿阀阀芯的力平衡方程，建立旁通阻尼孔k在补偿阀工作过程的动态数学模型。

4.1 阻尼特性的数学模型

阻尼孔k为细长小孔，油液的流动为层流型［6－8］，其压力流量特性方程为

式中，Qk为流过旁通阻尼孔k的流量，m3／s；Kpk为阻尼孔k的流量压力系数；p0为回油箱油路的压力，MPa；dk为旁通阻尼孔k的直径，m；lk为流过旁通阻尼孔k的长度，m；μ为动力黏度系数，N·s／m2。

阻尼孔k在补偿阀上腔产生的运动阻力Fsqn为

式中，ALS为压力补偿阀芯上腔面积，m2。

根据流量连续性原理：

式中，v为补偿阀阀芯的运动速度，m／s。

则

其阻尼系数Cvk为

大的阻尼系数能产生大的阻尼作用，影响阻尼系数的结构参数有补偿阀阀芯面积ALS、阻尼孔k的长度lk和直径dk。

4.2 旁通阻尼孔k对补偿阀LS腔压力影响的数学模型

由阀芯受力平衡方程以及流量连续性方程［9］，得到补偿阀LS腔动态特性的数学模型：

式中，E为油液的体积弹性模量，Pa；Kstx为多路阀上腔泄漏系数，m5／（N·s）；KpLS为LS口流量－压力系数；KqLS为LS口流量增益；M 为补偿阀阀芯的质量，kg；Kcn为补偿阀阀芯运动的黏性阻尼系数，N·s／m；g 为重力加速度。

5 旁通阻尼孔k的特性分析

5.1 旁通阻尼孔k的结构参数对阻尼系数的影响［10］

结构参数的改变对阻尼孔k的阻尼系数的影响如图3所示。随着阻尼孔直径的增大，阻尼系数急剧减小；在阻尼孔k长度一定的条件下，随着补偿阀阀芯直径的增大，阻尼系数增大；在补偿阀阀芯直径一定的条件下，随着阻尼孔长度的增大，其阻尼系数也增大。

图3 结构参数对阻尼孔k的阻尼系数的影响

5.2 旁通阻尼孔k的压力流量特性

图4所示为阻尼孔k的压力流量特性。阻尼孔的流量随着压差Δpk的增大而增大；在阻尼孔k长度一定的条件下，随着阻尼孔k直径的增大而增大；在阻尼孔k直径一定的条件下，随着阻尼孔k长度的增大而减小。

图4 阻尼孔k的压力流量特性

5.3 旁通阻尼孔k的结构参数对补偿阀LS腔压力的影响

5.3.1 阻尼孔k直径的影响［11］

补偿阀LS腔压力随阻尼孔k的直径大小的变化如图5所示。孔径小，压力从0上升到25MPa的时间长，阻尼大，压力变化量dpLS／dt小；孔径大，阻尼作用弱，但压力变化量dpLS／dt大。合理的孔径在保证系统快速响应的同时，又能使压力的变化量不大。

5.3.2 阻尼孔k长度的影响

阻尼孔k长度对LS流道压力的影响如图6所示。阻尼孔k的长度值越大，阻尼作用也越大，压力上升时间长，压力值的变化量dpLS／dt减小。

5.4 补偿阀上腔容积的影响

补偿阀上腔容积对LS流道压力的影响如图7所示。补偿阀上腔容积Vsq小，LS流道压力上升时间短，压力变化率dpLS／dt大；容腔体积大，可减缓LS流道压力的变化量，但其响应时间变长。

6 结论

（1）阻尼孔直径过大或长度过小，则阻尼力减小，由于结构的限制，不能实现阻尼腔达到需要的压力值，同时也增大了系统的损失。若阻尼孔直径过小，则对液流阻力加大，动态过渡时间变长，同时阻尼孔容易堵塞，不能发挥阻尼作用，影响液压系统正常工作。若阻尼长度太大，则阻尼系数会急剧增大，阻尼作用也越大，压力上升时间变长，但压力值的变化量减小，可减小阻尼腔的压力波动。

图5 阻尼孔k直径对LS流道压力的影响（lk＝2mm）

图6 阻尼孔k长度对LS流道压力的影响（dk＝0.7mm）

图7 补偿阀上腔容积对LS流道压力的影响

（2）补偿阀上腔容积与补偿阀阀芯直径和补偿阀阀体长度有关，补偿阀上腔容积小，LS流道压力上升时间短，压力变化率高；容腔体积大，可减缓LS流道压力的变化速度，减小阻尼腔的压力波动。

（3）在保证阻尼腔（LS腔）压力的前提下，尽量减少泄漏损失、降低压力波动和缩短响应过程时间。通过阻尼孔结构尺寸对动特性的影响规律的分析，得出一般阻尼孔直径在0.6～0.8mm、长度在2mm左右是比较合理的。

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