液控單向閥在鎖緊回路中的控制特性研究

蘇沛群，鄧志輝，張西良

(1.常州信息職業技術學院機電工程系，江蘇常州 213164;2.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江 212013)

液壓系統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點，廣泛應用于鎖緊回路、平衡回路和保壓回路中。圖1為內泄式液控單向閥的結構簡圖，當控制油口PK無壓力油通過時，其功能與普通單向閥相同;當控制油口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，油口PA與PB兩腔相通，實現油液的反向流動。

圖1 內泄式液控單向閥結構簡圖

在液控單向閥的應用回路中，經常用到為了克服液壓缸運動過程中的速度不穩定或需要控制液壓缸的運動速度而在回路中加設單向節流閥 (例加工中心換刀液壓系統)。根據單向節流閥在回路中的安裝位置不同，可分為單向節流閥處于液控單向閥與換向閥之間 (如圖2)和單向節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、不同負載方向的開啟特性。

圖2 單向節流閥處于液控單向閥和換向閥之間的鎖緊回路

圖3 單向節流閥處于液壓缸和液控單向 閥之間的鎖緊回路

1 單向節流閥處于液控單向閥和換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為液壓缸的軸向負載 (向右為正，向左為負);

p左腔為液壓缸左腔壓力;

p右腔為液壓缸右腔壓力。

設液壓缸速比=φ，液壓缸負載使無桿腔產生的壓力=p，則式 (1)改為:F

1.1 無桿腔進油，有桿腔回油

當換向閥換至右位，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，當油液反向流動時，閥芯的受力平衡表達式為:

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)。

設油液通過圖2左邊節流閥的壓力損失為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式為:

從式 (4)可以看出:液控單向閥的控制壓力pK不僅與負載F使無桿腔產生的壓力pF有關，還與液控單向閥的結構參數M、液壓缸的速比φ和回油阻力Δp有關。

通常情況下M＞φ，因此以下分析均以M＞φ為使用條件。

(1)當液壓缸承受正向負荷 (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)當液壓缸承受反向負載 (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:

1.2 有桿腔進油，無桿腔回油

當換向閥換至左位，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。

設通過圖2右邊節流閥的壓力損失為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)當液壓缸承受正向負載 (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)當液壓缸承受反向負載 (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:

2 單向節流閥處于液壓缸和液控單向閥之間的鎖緊回路

由圖3可得，液壓缸的平衡方程式同式 (1)。

2.1 無桿腔進油，有桿腔回油

當換向閥換至右位，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:通過圖3左邊節流閥的壓力損失為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)當液壓缸承受正向負載 (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)當液壓缸承受反向負載 (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:

2.2 有桿腔進油，無桿腔回油

當換向閥換至左位，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。設通過圖3右邊節流閥的壓力損失為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)當液壓缸承受正向負載 (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)當液壓缸承受反向負載 (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，但當液控單向閥打開工作時，單向節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流閥處于液控單向閥和換向閥之間的控制壓力。

3 M、φ值對開啟壓力的影響

3.1 液控單向閥開啟壓力歸納

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:

3.2 M、φ值對開啟壓力的影響

通常液壓缸的φ取值范圍為:φ=1.3～2.0;一般內泄式液控單向閥的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φ/(M－φ)的影響曲線;圖4(b)為φ值一定時，M值變化對系數φ/(M－φ)的影響曲線。從圖4(a)中可看出:當負載使無桿腔產生的壓力pF和液控單向閥的結構參數M值一定時，隨著液壓缸速比φ的增加，系數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pF和φ值一定時，隨著M值的增加，系數φ/(M－φ)減小，開啟壓力隨之變小，速比φ越大，影響越大。當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構參數可能對液控單向閥的開啟壓力產生較大的影響。

圖4 φ、M值對系數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φ/(M×φ－1)的影響曲線。從圖5(a)中可看出:當負載使無桿腔產生的壓力pF和液控單向閥的結構參數M值一定時，液壓缸速比φ值越大，系數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pF和φ值一定時，M值越大，系數φ/(M×φ－1)越小，開啟壓力也越小。當M值較小且φ值也較小時，系數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φ/(M×φ－1)的影響曲線

比較圖4和圖5可知，系數φ/(M－φ)比系數φ/(M×φ－1)要大許多。

如果M＜φ，根據以上分析可知，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，即液壓系統無法正常工作。因此，在液壓系統設計中，對于液控單向閥應用于液壓機等液壓缸速比較大的液壓系統時，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，為了避免液控單向閥的反向開啟壓力過大而造成系統能耗大、發熱量大等問題，也一定要合理選擇結構參數匹配的液控單向閥。如果所選內泄式液控單向閥不能滿足開啟條件或開啟壓力過大，應選用帶卸荷閥芯的內泄式液控單向閥。

4 結論

(1)單向節流閥在液壓系統中安裝位置不同，不影響反向打開液控單向閥的開啟壓力，但當液控單向閥打開工作時，單向節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)當液壓缸無桿腔進油，有桿腔回油且液壓缸承受反向負載時，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載使無桿腔產生的壓力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，應選用帶卸荷閥芯的內泄式液控單向閥。

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