某新型液壓集成閥的研究

2015-04-16 11:06:53,

液壓與氣動 2015年10期

(中航工業南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室, 江蘇南京　211106)

引言

目前國內液壓伺服機構不是采用純機械方式驅動，就是采用伺服閥控制馬達液壓方式驅動，由于純機械方式驅動精度低，功率偏小、操作較為復雜。伺服閥控制馬達方式驅動精度較高，但一般的伺服閥容易受工作介質污染等級限制，某新型液壓集成閥控制馬達采用集成式液壓流體驅動，不僅控制精度高、重量輕，而且液壓集成閥中的電磁換向閥和流量恒定閥不受工作介質污染度的影響，可靠性較高、操作方便。

針對這一特點，某系統單位要求研制該型液壓集成閥，該型液壓集成閥是在結合液壓伺服系統集成油路的基礎上，采用插裝式流量恒定閥控制輸出流量大小的原理，通過插裝式電磁換向閥控制油路的通斷實現不同種流量的輸出。

1　液壓集成閥組成及工作原理

液壓集成閥主要由殼體、電磁換向閥、流量恒定閥、單向閥、管接頭、密封圈和堵頭等零部件組成，如圖1示為液壓集成閥的三維結構原理圖。

液壓集成閥服機構中液壓控制系統的核心部件，分別由流量恒定閥和電磁換向閥組成1#、2#和3#組合閥，主要用于驅動液壓馬達轉臺工作，當液壓馬達轉臺轉臺在低速、中速和高速狀態下工作需要負載流量Q1、Q2和Q3時，該液壓集成閥通過自身液壓閉環調節系統輸出對應的流量，當液壓馬達轉臺轉臺液壓系統負載壓力和系統進油壓力發生變化時，該集成閥輸出的流量也不隨負載壓力變化而變化，始終輸出恒定流量值，從而保證轉臺不易受到液壓沖擊而損害轉臺。

1、3、12.電磁換向閥　2.接頭P1 4.單向閥　5.接頭T1　6.總回油接頭T0　7.總進油接頭P0　8、9.堵套/堵塞　10.接頭T2　11.接頭P2　13～15.流量恒定閥圖1　液壓集成閥三維結構原理圖

2　液壓集成閥設計

液壓集成閥的設計主要是對流量恒定閥、電磁換向閥、單向閥和殼體結構進行設計。

2.1　流量恒定閥設計

在該液壓集成閥中流量恒定閥主要是輸出的流量不隨負載或進油壓力波動而變化。流量恒定閥主要由減壓閥和節流閥組成，減壓閥維持節流閥進口p2和出口壓力p3接近恒定，從而保證流量恒定不變，節流閥通過調整固定節流孔大小來控制流量輸出。如圖2所示為流量恒定閥工作原理圖。從圖2中可以看出減壓閥閥芯左右兩端壓力分別為節流閥出口壓力p3和進油壓力p2，其兩端的壓差(p2-p3)產生的液壓作用力與閥芯左端的彈簧力相平衡。

圖2　流量恒定閥工作原理圖

根據圖2所示流量恒定閥工作原理圖建立流量恒定閥在穩態狀態下流量連續性方程：

(1) 進入流量恒定閥閥口的流量方程：

式中：qv1為流量恒定閥流量，m3/s；Cd1為流量恒定閥閥口的流量系數；W1為流量恒定閥閥口面積梯度，m；x為流量恒定閥閥口入口開口量，m；p1為流量恒定閥進口壓力，MPa；p2為流量恒定閥中節流閥進口壓力，MPa；ρ為油液的密度，kg/m3。

(2) 流量恒定閥中閥芯力平衡方程:

KW(x1-x2)=A(p2-p3)+Fs

式中：KW為流量恒定閥彈簧剛度，N/m；x1為流量恒定閥彈簧預壓縮量，m；A為流量恒定閥閥芯有效作用面積，m2；Fs為穩態液動力，N。

(3) 流量恒定閥中節流閥閥口流量方程：

式中：qv2為節流閥閥口閥流量，m3/s；Cd2為節流閥閥口的流量系數；W2為節流閥閥口面積梯度，m；y為節流閥閥口開口量，m；p3為流量恒定閥出口壓力，MPa。

由上述公式合并參數可以得出流量恒定閥流量連續性方程：

2.2　電磁換向閥設計

電磁換向閥為常閉兩通兩位插裝式結構，在該液壓集成閥中起控制油路的通斷。電磁換向閥主要由電磁鐵和閥體等零部件組成。電磁鐵安裝在閥體上，電磁鐵通電后產生磁力帶動銜鐵向下運動，克服彈簧力推動閥芯運動，閥芯與閥體之間形成一定的開口度，如圖3所示為電磁換向閥結構原理圖。

圖3　電磁換向閥結構原理圖

根據電磁電磁換向閥結構原理建立電磁鐵通電情況下推動閥芯所需要的推力和斷電情況下閥芯復位所需要的彈簧力。

(1) 電磁鐵通電閥芯移動所需要的推力：

Fd0>FM+FK+KX0

式中：Fd0為閥芯起動所需推力，N；FM為銜鐵和推桿與閥體之間液壓預緊力，N；FK為彈簧座與閥體之間液壓預緊力，N；K為彈簧剛度，N/m；X0為彈簧預壓量，m。

(2) 電磁鐵斷電閥芯復位所需彈簧力：

K(X0+X)>FM+FK+FSC

式中：X為閥芯行程，m；FSC為電磁鐵剩磁力，N。

2.3　單向閥設計

在該液壓集成閥中單向閥主要負責溝通高壓與低壓油道，保證系統安全。主要由閥體、鋼球、彈簧、彈簧座和密封圈等零部件組成，通過彈簧的預緊力壓緊鋼球，當液流由1腔進入時，克服彈簧預緊力將鋼球頂開，實現從2腔流出，反之切斷油路。如圖4所示為單向閥結構原理圖。

圖4　單向閥結構原理圖

單向閥開啟條件：

(p1-p2)A>Ft+G

式中：p1為腔1壓力，Pa；p2為腔2壓力，Pa；Ft為彈簧力，N；G為鋼球重力，N；A為閥體口面積，m2。

2.4　殼體設計

殼體是電磁換向閥、流量恒定閥、單向閥、管接頭、密封圈和堵頭等零部件的安裝平臺，也是油道溝通的渠道。為減輕集成閥重量，殼體采用材料為LY12鋁殼體，殼體與各種閥類均采用插裝式螺紋連接方式，油路中的工藝孔處均使用某公司生產的鋁堵塞和堵套。

3　試驗驗證

在實驗室利用專用試驗設備對液壓集成閥性能測試，按照圖5所示將產品各個接口與轉接板相連，轉接板用螺釘固定于試驗設備安裝座上。其中產品p0與試驗設備進油口相連，T0口與試驗設備總回油相連，轉接板1和2腔與安裝座負載1、2腔相連。

采用LabVIEW軟件編制的集成閥測試程序進行測試。測試性能曲線如圖6所示。從圖6中可以看出液壓集成閥輸出3組不同的流量Q1、Q2和Q3，在系統壓力從1～5 MPa時，閥輸出的流量是隨壓力升高和變大，并且流量超出了各自流量的上下極限值QL和QH,當系統壓力開始從6 MPa升至21 MPa時，流量處于穩定狀態，并不隨壓力升高而變大，并且流量均未查出各自流量的上下極限值QL和QH，符合設計要求。