可降卸壓雙向液壓鎖緊回路及其仿真分析

楚 飛， 齊建雄， 周澤人， 李美華， 孫明寰， 張軍巧， 龐輝仙

(北京石油機械有限公司， 北京 102206)

引言

鎖緊回路是液壓系統基本且重要的回路，其功能是防止在外部載荷的作用下液壓缸活塞桿伸出或縮回，并能將其鎖定在任意位置，是液壓工程中最為常用的回路之一[1]。通常情況下，液壓缸作為驅動部件通過執行機構實現特定的機械功能，例如通過連桿機構驅動球閥閥芯旋轉。對于傳統的鎖緊回路，液壓缸運行到設定位置后，由于限位機構的作用，高壓腔壓力迅速達到系統設定的溢流壓力。為了液壓系統的可靠，溢流閥設定壓力較高，因此液壓缸運動到限定位置時有較大的力作用在執行機構上。工程中希望及時地將執行機構上過大的作用力降低到一定水平。從公開的文獻來看，相關研究主要集中在典型鎖緊回路的特性分析，例如，伍小東等[2]研究了幾種典型鎖緊回路的特性；宋亞林等[3]指明了液壓鎖緊回路設計中應注意的問題；秦娟娟等、譚琛等[4-5]基于AMESim對鎖緊回路進行了仿真分析，更加直觀地分析了鎖緊回路的壓力和位移特性，為鎖緊回路的設計和分析提供了一種科學、有效的方法。但有關可降卸壓液壓鎖緊回路的研究和分析較少出現，本研究旨在介紹一種具備降卸壓功能的鎖緊回路，并通過仿真軟件驗證其功能。

1 工程背景

工程上經常使用液壓缸對大型球閥進行開關操作，其基本組成如圖1所示。液壓缸推動手柄完成開關動作，因球閥只能全開或全關，通常在開位和關位設置有機械限位機構，對于液壓缸要求在開關位具備鎖緊功能，以實現閥芯的位置鎖定，防止震動引起的閥芯位置變化。現有設計大多使用傳統的液壓鎖緊回路完成對液壓缸的控制。實踐表明，這些回路在實際使用中經常由于壓力設置不當，引起執行機構或球閥限位機構的損壞。

圖1 開關球閥的液壓機構

2 液壓鎖緊回路

為解決上述問題，分析了常見的鎖緊回路：液控單向閥鎖緊回路，如圖2所示；換向閥鎖緊回路，如圖3所示；順序閥鎖緊回路。

圖2 單向閥的鎖緊回路

圖3 換向閥的鎖緊回路

圖2是單向閥鎖緊回路的液壓原理圖，當換向閥工作在左位時，液壓缸伸出到極限位置，由于液壓缸的限位機構存在，無桿腔壓力上升到溢流閥設定的壓力；當換向閥換到中位時，液控單向閥關閉，因為液控單向閥閥芯為錐形，所以密封效果較好，泄漏量也很小，可以實現精確的雙向位置鎖定，該回路適用于上述球閥執行液壓缸的控制。然而，當液壓缸鎖定在停止位置時，即便負載變小甚至消失，無桿腔的壓力始終維持在溢流閥設定的壓力，就會出現因溢流壓力設置過高導致的手柄損壞或限位機構損壞。另外，該回路必須注意的是當換向閥中位機能不是H形或Y形的時候(如O形)，在需要鎖緊時，換向閥處于中位，液控單向閥會出現鎖緊不及時的現象。所以，選擇使用液控單向閥的鎖緊回路時，應選擇使用Y形或H形的三位換向閥，保證控制油口與油箱連通，換向時控制油路可以迅速卸壓，從而實現精確、快速、可靠鎖緊[6]。

圖3所示為換向閥鎖緊回路液壓原理圖，中位機能采用O形或M形的三位換向閥實現雙向鎖緊功能。當鎖緊時，閥芯處于中位，執行元件進出油口均被封閉，液壓缸被鎖緊。由于閥芯閥座之間的間隙，滑閥內泄，高壓腔的壓力有所降低，對手柄具有一定的保護作用，但鎖緊效果較差[7]。考慮到球閥鎖緊后必須杜絕閥芯的微動，因此該控制原理不適合上述球閥的控制。

順序閥鎖緊回路因順序閥有一定泄漏，因此鎖緊時間不能太長，也不實用于球閥的鎖定。

通過分析可知，無論哪種傳統鎖緊回路都不能同時滿足精確鎖緊和高壓腔卸壓這2個要求。因此有必要吸取常用鎖緊回路的優點，設計一種可降卸壓雙向液壓鎖緊回路，以實現油缸鎖緊后對高壓腔及時卸壓的功能，達到有效保護執行機構的目的。

3 可降卸壓雙向液壓鎖緊回路

為解決常用鎖緊回路鎖緊后，高壓油腔不能卸壓的問題，在常用液控單向閥鎖緊回路的基礎上，增加了降壓支路以期實現預想的降壓功能。

圖4是可降卸壓雙向液壓鎖緊回路的原理圖，它是在傳統的單向閥鎖緊回路的基礎上，采用梭閥、帶單向閥閥芯結構的二位二通閥電磁閥、溢流閥組成的旁路卸壓調壓回路，實現高壓卸壓。具體來說，當三位四通閥處于中位時，液控單向閥鎖緊，液壓缸高壓腔封閉著高壓油液，此時二位二通閥通電連通液壓缸高壓腔與油箱，高壓油液通過溢流閥回到油箱，高壓腔壓力降低到溢流閥設定壓力。通過調節溢流閥的溢流壓力可以方便的控制油缸高壓腔降壓后的壓力。回路中采用梭閥，使系統無論是有桿腔還是無桿腔的高壓都能實現降壓功能。

圖4 可降卸壓雙向液壓鎖緊回路

4 可降卸壓雙向液壓鎖緊回路功能驗證

為了驗證上述鎖緊回路達到了所預計的功能，使用仿真軟件建立模型，通過監測液壓缸高壓腔的壓力變化，判斷回路是否具備降卸壓功能。

4.1 換向閥的仿真模型

AMESim是一款高級建模和仿真軟件，集成了機械、液壓、氣動、熱、電和磁等物理領域的元件庫，不同領域的元件可以相互進行連接，這為液壓系統的計算機仿真提供了強大的支持[8]。

可降卸壓雙向液壓鎖緊回路的工作狀態與閥芯所處的位置聯系緊密，為了方便分析，使用HCD庫(Hydraulic Component Design)建立換向閥，直接模擬閥芯位置研究整個回路的特性。圖5是根據H形中位機能的三位四通閥的機械結構而建立的HCD模型[9]。

圖5 換向閥HCD模型

按照表1設置參數即可得到H形中位機能的換向閥。

表1 換向閥參數 mm

4.2 可降卸壓雙向液壓鎖緊回路的功能驗證

根據圖4液壓原理，利用仿真軟件中的液壓元件庫和信號庫搭建仿真模型[10]，建立仿真模型如圖6所示[11-12]。由于本研究側重系統的特性研究，在參數設置上進行了合理的簡化，參數見表2， 其他未列出參數采用系統默認值。設置三位四通換向閥左位工作6 s，中位4 s，右位6 s后回到中位保持4 s，共計20 s。二位二通換向閥在7～8 s，17～18 s分別通電，其他時刻為斷電狀態。以相同的參數仿真分析圖2所示的單向閥鎖緊回路。

表2 系統參數表

圖6 可降卸壓雙向液壓鎖緊回路仿真模型

液壓缸入口(A)、出口(B)隨時間的壓力變化情況見圖7。對于常用鎖緊回路，液壓缸A口在 1～10 s內壓力始終維持高壓(1.88 MPa)，對于可降卸壓雙向液壓鎖緊回路在7～10 s時，液壓缸A口壓力快速下降，維持在溢流閥的調定壓力(0.50 MPa)。上述現象說明在7～8 s由于可降卸壓雙向液壓鎖緊回路中二位二通閥連通，實現了對液壓缸高壓腔的卸壓。在10～20 s，液壓缸收回，可降卸壓雙向液壓鎖緊回路同樣對B口的高壓進行了卸壓。充分表明所設計的可降卸壓雙向液壓鎖緊回路具備預計功能。

圖7 壓力對比圖

5 結論

(1) 為了克服傳統鎖緊回路無法對高壓腔進行卸壓的缺點，設計了可降卸壓雙向液壓鎖緊回路，介紹了其工作原理，以期解決常用鎖緊回路在鎖緊時高壓腔壓力無法卸壓對執行機構造成損壞的問題；

(2) 利用液壓仿真軟件對常用鎖緊回路和可降卸壓雙向液壓鎖緊回路進行了建模和分析，對比了2種回路下油缸的進出口壓力變化情況，驗證了可降卸壓雙向液壓鎖緊回路達到了設計預期，響應迅速可靠;

(3) 該鎖緊回路的設計和分析方法，為拓展鎖緊回路功能及其工程應用提供了相應的實踐參考。