定量泵壓力補償系統中三通壓力補償器特性仿真分析

李新福，陳倫軍，羅艷蕾，張繼明，王晉濤

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550003)

三通壓力補償器可應用于定量泵壓力補償系統中。該壓力補償器應用在定量泵液壓系統中，并與節流閥配合，不僅解決了自動壓力補償，保證負載變化時通過節流閥的流量基本穩定，而且能夠使泵的出口壓力始終與負載相匹配，實現了節能，依此使得整個液壓系統的功率下降。

1 三通壓力補償器的工作原理及作用

三通壓力補償器在多路閥定量泵壓力補償系統中的工作原理為當回路中的各聯換向閥均處于中位，閥口關閉時，定量泵輸出的流量經過三通壓力補償器流回油箱。此時壓力補償器彈簧敏感腔中遠程遙控口處無回路反饋壓力，泵輸出油液的壓力只要克服彈簧力即可打開壓力補償器進行卸荷。卸荷壓力小，保證系統在怠速時功率耗損低。當多路閥閥口開啟，油液經過多路閥進入執行機構，此時通過多層次高壓優先梭閥網絡的選擇，將各執行機構的最高壓力引回至三通壓力補償器彈簧敏感腔。此時三通壓力補償器不僅有負載壓力補償的作用，即保持節流器閥口前后壓差不變，保證節流口輸出流量恒定，使執行元件的速度不受壓力變化的影響，同時具有負載自適應能力，即在液壓系統工作在負載不斷變化的工況下，三通壓力補償器總是使定量泵出口壓力實時地僅比負載壓力高出一個定壓差。

2 三通壓力補償器的結構原理

三通壓力補償器結構圖如圖1，其表示符號如圖2。

圖1 定差溢流型三通壓力補償器的結構圖

圖2 補償器符號

主要由閥體、主閥、主閥彈簧、調節螺母等主要零件組成。閥芯的左端與閥體、端蓋之間形成壓力腔;右端與閥體、端蓋、遠程控制口等形成彈簧壓力腔。調節彈簧壓力腔端的調節螺母，可改變彈簧的預壓縮量，進而調節卸荷壓差。

當液壓回路工作穩定，三通壓力補償器閥芯左右兩端受力平衡。

其中:Ft=k(ΔX+X)

p1為閥芯左端壓力腔的壓力;p2為閥芯右端彈簧腔處的壓力;Ad為閥芯的橫截面積;Ft為彈簧力;Fs為穩態液動力;Ff為摩擦力;k為彈簧的剛度;ΔX為閥芯的開口量;X為彈簧的預壓縮量;XD為閥芯的搭合量; CQ為流量系數;CV為流速系數;pp為閥進油口壓力; α為流經滑閥的液流速度方向角;d為閥芯直徑。

因為三通壓力補償器在靜態工作時，其穩態液動力Fs和摩擦力Ff都非常的小，可以忽略不記，此時式(1)可簡化為:

3 建立三通壓力補償器的仿真模型

根據多路閥定量泵壓力補償系統原理圖，結合各個零部件的結構原理圖，在AMESim中搭建三通壓力補償器的系統仿真模型如圖3。

圖3 定量泵壓力補償系統仿真圖

3.1 參數的設置

閥類零部件主要參數設置如表1。

表1 閥類零部件主要參數

3.2 液壓缸負載及多路閥開口量的參數設置

液壓缸5、液壓缸6負載設置如圖4所示。曲線1為液壓缸5負載設置及變化情況:在時間為05 s時負載為5 500 N;510 s時負載由5 500 N線性降到4 500 N;1017 s時負載為4 500N。曲線2為液壓缸6負載設置及變化情況:05 s時負載為6 000 N;510 s負載由7 000 N線性降到6 000 N;1017 s時負載為6 000 N。

多路閥7、8開口量參數設置如圖5所示。05 s、15 s以后多路閥關閉，55.01 s多路閥由關閉到全開，5.0114.99 s多路閥全開，14.9915 s多路閥由全開到關閉。

圖4 液壓缸負載參數設置

圖5 多路閥的開口量設置

4 三通壓力補償器的仿真分析

三通壓力補償器流量、閥芯位移隨時間的變化曲線分別如圖6、圖7所示。05 s、15 s以后多路閥7、多路閥8均處于關閉狀態，通往液壓缸的油路斷開。05 s、15 s以后油泵打出的液壓油通過管道進入三通壓力補償器右腔，此時補償器左腔無壓力油，右腔的高壓油液迅速推動閥芯左移克服左腔彈簧力打開壓力補償器使泵卸荷。由圖8可知，此段時間內，泵的卸荷壓力穩定在2 MPa左右，低于其油路工作時的壓力。此現象表現出了三通壓力補償器在系統回路不工作時，對油泵的卸荷作用，降低能耗。

圖6 三通壓力補償器流量-時間曲線圖

圖7 三通壓力補償器閥芯位移-時間曲線圖

510 s時，多路閥7、多路閥8處于完全開啟的狀態，系統油路聯通。此段時間內，液壓缸5、液壓缸6的負載壓力分別由原來的7 000 N，5 500 N線性降低為6 000 N，4 500 N。由圖8可知，在510 s時泵的出口壓力從2 MPa迅速上升到工作壓力，并隨作用在液壓缸上負載的下降，工作壓力隨之相應下降。此現象表現出了三通壓力補償器的負載適應能力。即當系統中的負載為變量時，使泵的出口壓力比負載壓力高出一定差值，與負載匹配，避免不必要的能量損失，實現整個液壓系統的節能。

有圖9、圖10可知在此期間多路閥7、多路閥8的進出口壓力差均保持在2 MPa左右，并隨負載的變小壓力變小。此處也印證了圖8的正確性。此處的壓差恒定則表現出了三通壓力補償器的負載補償作用。由圖6、圖7可知，此段時間內壓力補償器的閥芯右移，溢流口開度減小，流量減小。且溢流量為泵輸出給液壓缸5、液壓缸6的流量多余量。

圖8 泵出口壓力及流量曲線圖

圖9 多路閥7進出口壓力曲線圖

1015 s時，多路閥7、多路閥8仍處于完全開啟的狀態，液壓缸5、液壓缸6上的負載均處于恒定狀態。由圖8可知泵出口壓力穩定在6.5 MPa左右，壓力補償器的閥芯位移變化量處于穩定狀態。

1015 s時三通壓力補償器的閥芯位移變化率與5-10 s期間的變化率相比要小。其主要影響因素在于5-10s時，系統上的負載為變化量，三通壓力補償器的負載適應性保證了泵的出口壓力隨負載相適應，所以閥芯移動量在變化。1015 s期間兩負載恒定，由圖7可看出在此段時間內壓力補償器的閥芯穩定，但不恒定。主要影響因素為敏感腔的彈簧和初壓縮量。其中彈簧剛度影響最為主要。比較圖7與圖11，彈簧剛度為50 N/mm時三通壓力補償器閥芯的穩定性比彈簧剛度為10 N/mm時要好。可知彈簧剛度越大，閥芯位移穩定性越好，閥芯位移量有所增加。

圖10 多路閥8的進出口壓力曲線圖

圖11 彈簧剛度為50 N/mm時三通壓力補償器閥芯位移曲線圖

5 結論

(1)定量泵壓力補償系統中，在多路閥處于中位不工作時，由三通壓力補償器對泵實現卸荷，對泵起到降壓和保護作用。同時三通壓力補償器卸荷壓力小，實現系統不工作時的節能。

(2)由文中理論分析和AMESim的一系列仿真結果曲線，可以得出當系統工作時，三通壓力補償器保證了負載變化時多路閥進口與出口壓力差的恒定，系統實現了復合操作時與負載變化無關的流量分配，即流過多路閥流量的大小只與閥芯位移有關，與負荷變化無關。

(3)三通壓力補償器不僅能夠很好地實現節流器前后壓差不變即壓力補償器的負載補償作用，而且還能使泵的出口壓力實時地僅比負載壓力高出一個定壓差，從而實現負載壓力適應作用。

(4)系統工作時，定量泵的出口壓力取決于負載，可以在原始三通壓力補償器的結構基礎上增加一個安全閥，使三通壓力補償器同時具有對整個回路保護作用，同時可減少液壓回路元件數和油路連接復雜度。

(5)三通壓力補償器彈簧腔彈簧剛度影響該閥芯運動的平穩性和位移量。合理選取彈簧剛度可提高三通壓力補償器的使用性能。

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