调速阀的工作原理与使用要求

□ 徐成东

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618099

在定量泵供油的液压系统中,用流量控制阀对执行元件的运动速度进行调节的回路称为节流调速回路。节流调速回路是在工程机械、矿山机械、组合机床、压力加工等领域应用较为广泛的一种调速回路[1]。节流调速回路按流量控制阀位置的不同,可分为进油路节流调速回路、回油路节流调速回路、旁油路节流调速回路三种[2]。

1 节流调速回路分析

1.1 由节流阀构成的节流调速回路

由节流阀构成的进油路节流调速回路如图1所示。这一回路使用定量泵作为动力元件,依靠改变流量控制阀开度的大小来改变进入执行元件的流量,进而改变执行元件的速度。定量泵多余的油液通过溢流阀流回至油箱,这是进回油路节流调速回路能够正常工作的必要条件。由于溢流阀有溢流,因此泵的出口压力为溢流阀的调定压力,并基本保持定值[3]。

图1 由节流阀构成的进油路节流调速回路

液压泵的出口压力设为pP,液压缸无杆腔进油压力设为p1。当负载F发生变化时,p1会发生变化,而pP不变,则节流阀的进出口压力差Δp会发生变化。可见,在开度不变的前提下,节流阀的流量将发生变化,液压缸的油液流速也将发生变化,最终使活塞的速度v发生变化。在由节流阀构成的节流调速回路中,液压缸的速度受负载变化的影响很大,速度不够稳定。此类回路只适用于工作负载变化不大,速度稳定性要求不高的场合[4]。

1.2 由调速阀构成的节流调速回路

由调速阀构成的进油路节流调速回路如图2所示,调速阀由定差减压阀和节流阀串联而成。

图2 由调速阀构成的进油路节流调速回路

节流阀进口油液压力作用在定差减压阀的a腔和b腔,面积分别为A1和A2。节流阀出口油液压力作用在c腔,面积为A。调速阀工作时,减压阀处于受力平衡状态,则有:

p2A1+p2A2=p3A+Fs

(1)

由于A1、A2之和为A,化简式(1),得:

p2-p3=Fs/A

(2)

式中:p3为液压缸进油腔压力;p2为节流阀进口压力;p1为液压泵出口压力;Fs为定差减压阀弹簧的调定压力。

显然,定差减压阀的进口压力为p1,出口压力为p2。节流阀的出口压力为p3,大小取决于负载F。

调速阀工作时,节流阀的进出口压力差Δp为p2-p3,由定差减压阀的弹簧调定压力Fs决定。减压阀阀心在工作过程中位移很小,即弹簧的压缩量变化很小,且弹簧的刚度较小,因此可认为Fs不变。换言之,调速阀在工作过程中无论负载如何变化,节流阀进出口压力差是不会变化的[5]。通过各类小孔的流量q为:

q=kATΔpm

(3)

式中:k为小孔流量因数,取决于小孔的结构、尺寸和流体特性等,一般认为是常数;AT为小孔的通流面积;m为压差指数,取决于小孔的长径比,一般取1/2～1。

由式(3)可知,对于调速阀而言,在节流阀通流面积不变的前提下,压力差为定值,通过节流阀的流量也不会发生变化,即调速阀的流量不会发生变化。

综上所述,相比节流阀,调速阀工作时具有自动调节功能,其流量不受负载的影响,具有稳定速度的作用[6-7]。因此,调速阀适用于执行元件负载变化大,对速度稳定性要求较高的系统[8]。

2 调速阀使用要求

2.1 最小压差要求

调速阀之所以能够稳定流量,是因为内部的定差减压阀能够保持节流阀两端的压力差不变,压力差的大小取决于减压阀的弹簧调定压力。但是,当系统的负载所形成的压力和液压泵的工作压力比较接近时,分配在调速阀上的压力差必然很小,此时节流阀两端的压力差不足以克服减压阀弹簧的调定压力,减压阀的阀心左移,减压阀处于最大开度状态。此时,减压阀形同虚设,起不到维持流量稳定的作用。调速阀只能起节流阀的作用,无法适应负载的变化,速度也不稳定。可见,在设计液压系统时,分配给调速阀的压力差应略大于其最小值。一般情况下,调速阀压力差最小值为0.5 MPa。只有当调速阀的进出口油液压力差大于或等于0.5 MPa时,采用调速阀进行油路速度调节才能体现出调速稳定性好、速度刚性高的优点[9]。

2.2 压差不宜过大

尽管调速阀能起到保持节流阀进出口压差恒定的作用,从而稳定流量,但是当压差过大时,调速阀的能量损耗将会增加。节流调速回路的进油路压力损失分为两部分,分别为定差减压阀的压力损失和节流阀的节流压力损失。设定差减压阀的压力损失为Δpj,如前文所述,进油路总压力损失为p1-p3,节流阀进出口压力损失为p2-p3,于是有:

p1-p3=Δpj+Fs/A

(4)

变形得:

Δpj=p1-p3-Fs/A

(5)

由式(5)可知,当定差减压阀的弹簧调定压力不变时,分配在调速阀上的压差越大,定差减压阀带来的压力损失也就越大。在这种情况下,液压回路的功率损失很大。尽管调速阀适用于负载变化范围比较大的场合,但是压差过大时回路效率很低。

2.3 调速阀不得反装

调速阀只能正向安装,不能反向安装。如图3所示,当调速阀反装时,液压泵输出的压力油先经过节流阀,再经过定差减压阀,然后到达液压缸。油液经过节流阀时,必然会产生压力损失,此时液压泵输出油液的压力大于减压阀的进口压力,也就是节流阀的进口压力大于出口压力。由于a、b两个腔的受力面积之和等于c腔的面积,因此不难看出,作用在c腔的油液推力大于作用在a、b两腔的油液推力。此外,减压阀弹簧存在向左的调定压力,减压阀的阀心必然会向左移动至最大开度位置,减压阀不再起减压作用,调速阀只起节流阀作用,不具备稳定流量和速度的功能。

图3 调速阀反装时进油路节流调速回路

在一些场合,工作机构往复直线运动时需要实现节流调速且速度稳定,液压缸也需要在活塞往复运动时进行调速且稳定流量。调速阀只能单向使用,如果在液压缸的进油、回油路上均设置调速阀,那么回路的结构将会变得比较复杂,使用成本也会增加。由一个调速阀和四个单向阀构成的桥式整流油路如图4所示。这一油路巧妙利用单向阀正向导通、逆向截止的功能,保证液压缸活塞往复运动时都可以得到比较稳定的速度。活塞向右运动时,液压源输出的压力油通过二位四通换向阀的左位、单向阀4、调速阀、单向阀2,可以到达液压缸的左腔,此时回路为进油路节流调速回路。活塞反向运动时,液压缸左腔的回油油液经过单向阀3、调速阀、单向阀1、换向阀的右位流回油箱,此时回路为回油路节流调速回路。

图4 桥式整流油路

3 结束语

调速阀能够保持内部节流阀两端压力差恒定,具有稳定流量和速度的作用,因此在节流调速回路和容积节流调速回路中应用广泛[10]。在设计液压系统时,应充分考虑负载大小及变化范围、液压泵额定压力及额定流量、溢流阀调压范围、调速阀通流量之间的关系,合理分配流量和压差。在使用过程中,也应根据负载的大小,合理调整溢流阀的工作压力,使调速阀的压差不低于最小值,并且不会因压差过大而导致大量能量损失。