采用外泄式提高先導式溢流閥的定壓精度

李忠山，張玉峰，范久臣

(北華大學機械工程學院，吉林吉林132021)

在進口和出口節流調速回路中，由于溢流閥始終處于溢流的狀態，使系統壓力基本恒定，故進口和出口節流調速回路又稱作定壓式節流調速回路。在使用QCS003 實驗臺進行進口和出口節流調速回路的教學實驗時，雖然節流閥起到了調速的作用(溢流閥溢流)，但是系統壓力隨液壓缸的運動速度的變化有很明顯的改變，只有節流閥開度很小(液壓缸運動速度很低)時，系統壓力才接近溢流閥調定的壓力，使實驗操作困難，并影響學生對知識的正確理解。由于溢流閥的壓力是在泵輸出全部流量下調定的，當液壓缸運動時溢流閥的流量會減小，液壓缸運動速度越大，溢流閥的流量越小，系統壓力就變得越低，如果壓力的變化較大，說明溢流閥的壓力受其流量變化的影響較大，即溢流閥的定壓精度低。

1 解決方案

定壓精度是溢流閥靜態性能的一項重要指標，其啟閉特性曲線可以反映出溢流閥的定壓精度情況。已經有多篇論文對先導式溢流閥的靜態性能進行了論述和分析［1－5］，但是無論是結構上還是理論上的分析，都是在先導閥的回油直接接回油箱(外泄式)的情況下進行的，而實際使用的先導式溢流閥是內泄式的。QCS003 實驗臺上使用的溢流閥是Y1-10B 型先導式溢流閥，其結構見圖1。

圖1 Y1-10B 先導式溢流閥結構簡圖

Y1-10B 型先導式溢流閥的先導閥的回油流經主閥口的下腔，由于主閥口的直徑大于下節軸孔的直徑，使先導閥的回油對主閥閥芯可能產生使主閥開啟的力，加上先導閥回油流動狀態的突然改變，會對主閥閥芯產生一定沖擊和擾動。雖然回油的壓力和流量都很小，但是由于主閥閥芯的彈簧很軟，先導閥的回油很有可能對主閥閥芯的工作狀態產生影響，進而影響溢流閥的定壓精度。所以決定把溢流閥改為外泄式來消除先導閥回油對主閥芯的影響，提高溢流閥的定壓精度。

2 內泄式與外泄式兩種情況下的啟閉特性試驗

為了驗證方案的可行性，利用QCS003 實驗臺對溢流閥進行內泄式和外泄式兩種情況下的啟閉特性試驗(油溫為(40 ±2)℃)。試驗回路見圖2 (QCS003實驗臺的部分回路)。

圖2 試驗回路

2.1 內泄式時的啟閉特性試驗［6］

旋松溢流閥3 的調壓手柄，啟動液壓泵1，調節溢流閥3 使壓力表2 的示數為7 MPa，打開換向閥4，調節被試溢流閥6 的調壓手柄，使壓力調到溢流閥6的額定壓力6.3 MPa，并鎖緊調壓手柄。關閉溢流閥3，測出流過溢流閥6 的試驗流量，然后，調節溢流閥3，改變被試閥6 的進口處壓力，開始時每降低0.05 MPa 測量一次流量，到6.1 MPa 以后每降低0.1 MPa 測量一次流量，到溢流閥斷流時為止。根據數據描點畫出溢流閥6 的閉合曲線。把壓力調低一些，然后再升壓，當溢流閥6 的出口剛出現線流時開始記錄數據，盡量取與測量閉合過程中相同的壓力點測出流量。

2.2 外泄式時啟閉特性試驗

把溢流閥6 改為外泄式，重復內泄式時的試驗過程，并取和內泄式試驗時一樣的壓力點，每個壓力點下都分別測出主閥的流量和先導閥的流量。

3 試驗數據整理和分析

外泄式的主閥流量與相同壓力下先導閥的流量之和為外泄式溢流閥在該壓力下的總流量，將試驗數據整理成表1。

表1 啟閉特性試驗數據

3.1 外泄式時溢流閥的啟閉過程分析

先導式溢流閥的工作原理是［7］:由于先導閥的開啟，使主閥芯上的阻尼孔有油液流動，從而使主閥芯上產生壓差，當阻尼孔的流量增加到一定值時，壓差產生的力大于主閥芯的彈簧力和摩擦力，使主閥芯開啟。結合表1 來看，溢流閥主閥的開啟和關閉過程:在溢流閥進口的壓力逐漸升高過程中，當壓力為6.13 MPa 時，先導閥的流量為515 mL/min，主閥閥芯剛開啟，這時阻尼孔的壓降對主閥閥芯產生的力剛能克服主閥受到的彈簧力和主閥芯受到的摩擦力，使主閥芯動作，隨著壓力升高，先導閥開口面積增大，使阻尼孔的流量增大，對主閥閥芯的力增加，使主閥開口面積增大，進而使主閥芯的流量增大;在溢流閥進口壓力降低的過程中，與開啟的過程相反，當壓力降到6.1 MPa 時，先導閥的流量為500 mL/min，主閥閥芯受到的彈簧力大于阻尼孔的壓降對主閥閥芯所產生的力與閥芯受到的摩擦力的和，使主閥閥芯關閉。

3.2 對溢流閥的開啟壓力和閉合壓力的影響

溢流閥的流量為實驗流量 (此次試驗6.48 L/min)的1% (即0.065 L/min)時所對應的壓力，為溢流閥的開啟壓力或閉合壓力［6］。表1 中的數據顯示:采用內泄式時溢流閥的開啟壓力和閉合壓力小于采用外泄式時溢流閥的開啟壓力和閉合壓力(采用外泄時溢流閥的開啟壓力為5.75 MPa 左右，閉合壓力也高于5.7 MPa;采用內泄時溢流閥的開啟壓力為5.65 MPa，閉合壓力為5.6 MPa 左右)。這是先導閥受到溢流閥出口背壓影響的結果。由溢流閥的結構可知，在不計摩擦力和液動力的情況下，采用內泄式時溢流閥調定的壓力是由先導閥的彈簧力與溢流閥出口背壓對先導閥閥芯產生的力的合力來決定的，而出口背壓對先導閥閥芯的作用力是隨著溢流閥流量的增大而增大的;采用外泄式時，溢流閥的調定壓力只由先導閥的彈簧力決定。在調定壓力相同的情況下，采用外泄式時先導閥彈簧的壓縮量大于采用內泄式時先導閥彈簧的壓縮量，從而影響溢流閥的開啟壓力和閉合壓力。

3.3 外泄式和內泄式兩種情況啟閉特性對比分析

為了便于比較，把兩種情況下測得的數據生成曲線，并轉化成百分比的形式，如圖3 所示。

從圖3 可以看出以下信息:

圖3 外泄式與內泄式特性曲線

(1)在相同的壓力下，采用內泄式溢流閥的流量明顯大于采用外泄式溢流閥的流量。也就是在相同壓力下，采用內泄式時主閥的開口面積大于采用外泄式時主閥的開口面積，這說明了先導閥的回油對主閥的工作狀態有影響，尤其是在壓力高于額定壓力的96% (即6.05 MPa)時，主閥口的流量明顯加大。以上現象表明先導閥的回油對主閥閥芯有影響，影響的結果是使主閥閥芯趨于開啟。

(2)采用內泄式時的開啟曲線和閉合曲線分開的距離較大，即不靈敏區大［8］，采用外泄式時不靈敏區很小。這說明采用外泄式可以減小溢流閥的黏滯性，提高溢流閥的靈敏度。

(3)流量壓力特性得到改善。采用外泄式的情況下，溢流閥的流量變化試驗流量的83%時，壓力變化了額定壓力的0.8%，流量變化88%時，壓力變化了2%;而采用內泄式的情況下，流量變化20%時，壓力降低了1%，流量變化50%時，壓力降低了2%，流量變化83%時，壓力降低了3.5%。由此可以看出，對于相同的流量變化量，引起溢流閥進口壓力的變化量，采用外泄式的比采用內泄式的要小，即先導式溢流閥采用外泄式的定壓精度比采用內泄式的定壓精度高。

4 方案實施

把節流調速回路中的溢流閥改成外泄式，其定壓精度有很大提高，液壓缸速度變化時，系統壓力波動明顯減小。

5 結論

先導式溢流閥采用外泄式可以消除先導閥回油對主閥閥芯的影響，消除溢流閥出口背壓對先導閥的影響，改善溢流閥的性能，提高先導式溢流閥的定壓精度。

［1］彭秀英．水泥混凝土攤鋪機溢流閥定壓精度的分析與提高［J］．現代機械，2003(4):78－79，90．

［2］唐全波，倪兆銘，李壯云．先導式溢流閥定壓精度的分析［J］．機床與液壓，1989(6):21－23．

［3］徐文琴，劉健，孫英達．先導式溢流閥特性分析及檢測方法研究［J］．機床與液壓，2008，36(5):62－64．

［4］張雙娟．先導式溢流閥靜態特性理論分析［J］．機械研究與應用，2010(1):14－16．

［5］胡燕平，彭佑多，康煜華．先導式溢流閥穩態特性研究［J］．中國機械工程，2003，14(8):652－655．

［6］蘇杭，劉延俊．液壓與氣壓傳動學習及實驗指導［M］．北京:機械工業出版社，2006．

［7］林建亞，何存興．液壓元件［M］．北京:機械工業出版社，1988．

［8］王積偉，章宏甲，黃誼．液壓傳動［M］．北京:機械工業出版社，2010．