叉車用液壓切斷閥性能研究

孫鴻鈞

(蚌埠液力機械有限公司 安徽蚌埠 233000)

1 前言

液壓切斷閥是液壓系統中重要的安全保護元件，一般用于超流量自動切換保護及限制，如管道爆破保護或執行元件限速等，具有結構簡單、響應快、切換迅速、工作可靠等優點，廣泛應用在液壓電梯、叉車、起重機、挖掘機、裝載機等液壓機械上[1-2]。

現今世界各國對設備安全問題越來越重視，行業內對叉車安全性的要求也越來越嚴格。液壓切斷閥是叉車液壓系統關鍵元件之一，安裝于叉車升降缸的下油腔油口處，若進口油管爆裂，液壓切斷閥閥口迅速減小，保證升降缸的活塞緩慢下降，防止重物快速下墜。為了防止發生下墜等事故，因而要求液壓切斷閥在額定流量下，正反向壓降小，失壓時迅速關閉，反向關閉后內主閥口泄漏小[3，4，5]。對于液壓切斷閥性能的好壞在一定程度上決定著整個液壓系統性能的好壞，影響著叉車的安全性能，故對叉車使用的液壓切斷閥進行性能測試，確定其參數指標是非常必要的。

2 工作原理分析

2.1 結構分析

叉車切斷閥(如圖1所示)由閥套1、彈簧2、限位銷3、閥芯4組成。閥芯4的圓柱兩側面對稱開有主油孔，閥芯4的右端面開有輔助油孔，當液壓油從主油孔和輔助油孔流過時，由于節流作用產生壓降，形成閥芯內外壓力不等，油壓作用力與彈簧2的彈簧力共同作用，使閥芯4在閥套1中左右滑動，閥芯主油孔被閥套1的部分遮擋，遮擋面積隨閥芯移動的位移變化。為防止閥芯4的位移量過大，通過限位銷3進行限位。

圖1 切斷閥結構簡圖1-閥套；2-彈簧；3-限位銷；4-閥芯

圖2 切斷閥工作原理圖

液壓切斷閥工作原理的簡化如圖2所示，包括可變節流口R1和固定節流口R2、彈簧、力比較器。閥芯主油孔與閥套邊緣形成可變節流口R1，過流面積為主油孔未遮擋的區域面積；固定節流口R2為閥芯端面輔助油孔，彈簧輸出指令力，閥芯為力比較器，閥芯內外的油液壓差作用在閥芯端面，與彈簧力形成的合力驅動閥芯移動。油液流過節流口時形成壓降。

當油液從A流向B時，在節流口R1和R2形成壓降，導致PA>PB，油壓作用力與彈簧力的合力方向指向主油孔完全打開的方向，油液順利通過切斷閥，當油液從B流向A時，PB>PA，油壓作用力與彈簧力的合力方向指向主閥口關閉方向，流量減小。由于切斷閥彈簧剛度系數小，所以油壓作用力超過彈簧預緊力時，閥口迅速關閉。

2.2 仿真分析

1)液壓切斷閥仿真分析型建模

AMESim平臺是一款系統建模、仿真及動力學分析軟件，采用圖形化的數學模型根據液壓切斷閥功能快速完成液壓元件與系統建模，根據實際元件進行參數設置，進行相關分析[6-11]。

液壓切斷閥的AMESim模型如圖3所示，采用固定節流孔模塊1模擬閥的固定節流口R2，采用彈簧柱塞模塊2模擬切斷閥的彈簧，采用質量模塊3模擬閥芯質量，采用滑閥4模擬可變節流口，模塊2、3、4共同組成力比較器。

圖3 液壓切斷閥AMESim模型1-閥的固定節流口；2-彈簧；3-閥芯；4-可變節流口

液壓切斷閥AMESim模型的主要設置參數如表1所示。

表1 液壓切斷閥AMESim模型主要參數

2)液壓切斷閥功能仿真分析

為驗證液壓切斷閥的功能，將液壓切斷閥模型放入圖4所示的液壓系統中，液壓切斷閥A口接換向閥3的A口，B口接液壓缸5的無桿腔油口，液壓缸5的有桿腔油口接油箱，液壓缸活塞桿端部添加質量載荷6，換向閥3的P口接油源，溢流閥2限定系統壓力，為模擬切斷閥進口管道破裂工況，增加旁路電磁閥4，旁路電磁閥4的另一油口接油箱。

圖4 液壓切斷閥系統模型1- ；2-逆流閥；3-換向閥；4-電磁閥；5-液壓缸；6-質量載荷

數值仿真時，液壓缸活塞桿初始位置為缸底，隨著換向閥油口打開，液壓缸活塞桿驅動負載上升，模擬叉車舉升負載工況(圖5區域I)。當負載舉升到一定位置，電磁閥3閥口關閉，負載停止運動(圖5區域II)并穩定在一定高度，然后，旁路電磁閥4快速打開，模擬管道破裂工況，由負載位移曲線可知，隨著旁路導通，質量塊下降，但由于切斷閥的保護作用，切斷閥主閥口關閉，液壓缸無桿腔的油液經固定節流口回油箱(圖5區域III)，下降速度可控，最后，質量塊停止到最下端(圖5區域IV)。圖6為液壓切斷閥A口的流量曲線，由圖可知，區域I的流量約30L/min，與油源流量相等，在區域II，由于電磁閥3閥口關閉，無油液供給，通過切斷閥流量為0，在區域III，由于電磁閥4打開，切斷閥進口失壓，主閥口關閉，油液從輔助油口流出，流量控制在10L/min，同時，流向反向。

圖5 活塞位移曲線

根據上述結構和仿真分析，切斷閥為流量反饋，正向流通時，要求切斷閥壓降低，減少功率損失，通過穩態壓差-流量曲線(見圖7)評價，反向流通時，主閥口關閉時的流量閾值和響應速度是關鍵指標，通過切斷流量曲線(見圖8)評價。

圖6 切斷閥進口流量曲線

圖7 正向穩態壓差-流量曲線

圖8 反向切斷流量曲線

3 性能測試方法研究

根據叉車液壓切斷閥的功能要求，參考電梯、船用液壓管道切斷閥性能測試及液壓閥壓力-流量特性測試方法[5,12,13-17]，制定測試項目包括切斷流量測試、穩態壓差-流量測試及耐久性測試。

3.1 性能指標及測試原理分析

切斷流量特性：當切斷閥進口管路破裂，切斷閥主閥口能迅速關閉，防止升降缸因下腔失壓，負載急速墜落的工況，此時，切斷閥輔助油孔仍然導通，使得升降缸下腔油液能通過輔助油孔緩慢流出，負載平穩下降[5,12,14,15,17]。該性能通過如下原理進行模擬：當通過切斷閥的流量反向激增時，超過某一閾值，模擬進口管路破裂。試驗時，通過閥的流量曲線來計算閥口關閉的閾值(即切斷流量)、閥口關閉的速度(流量變化響應時間)及閥口切斷后的流量。

壓差-流量特性[13]：在通過閥口流量緩慢變化的條件下，測試閥口壓降隨流量的變化規律，閥口壓降過大，由節流作用，能量損失大。壓差-流量特定曲線是確定切斷閥額定流量大小的依據。該指標通過如下原理進行模擬：緩慢增大切斷閥供油流量，然后再緩慢減小切斷閥供油流量，同時測試切斷閥進出口壓差。

耐久性特性[12,14]：切斷閥切斷時，壓力、流量突變，對閥芯、閥體等產生損壞，降低閥的可靠性，同時，切斷閥作為叉車液壓系統的保護裝置，對其可靠性和耐久性提出較高要求。因此，對同批次切斷閥進行抽檢，對抽中的切斷閥進行連續切斷試驗，一定次數后，檢測閥的切斷性能，評判其耐久性。

3.2 性能測試液壓原理設計

目前，液壓切斷閥的性能測試裝置一般采用搭建重物臺架和液壓系統模擬叉車系統，并在切斷閥進口管路安裝液壓閥，通過快速打開液壓閥模擬進口管路爆裂工況，該方法需要搭建臺架和設置負載墜地時緩沖裝置，所需成本高，具有一定危險性[5]，或者采用雙液壓缸試驗，用小缸徑液壓缸拉大缸徑液壓缸模擬管道破裂，裝置復雜[4]，不適合叉車液壓切斷閥性能測試，為了保證切斷閥性能測試的安全性及可靠性，設計了全液壓的液壓切斷閥的性能測試液壓原理(如圖9所示)，通過控制系統的流量和壓力進行性能測試。

將被試閥安裝測試工裝24上，比例變量泵16控制系統流量，比例溢流閥19調節系統壓力，電液換向閥20通過被試閥油液流動方向，流量計21測試流量大小，壓力傳感器22測量被測閥兩端閥壓力并通過采集卡傳至計算機。循環冷卻系統控制系統溫度。

切斷流量特性測試時，比例泵排量逐漸增加，并穩定在某一值，比例溢流閥升壓至切斷閥試驗壓力；然后，電液換向閥20右位得電，油液反向流入被試閥B口，一段時間后，比例泵流量快速增大，超過被試閥的切斷流量，同時，流量計、壓力傳感器測試閥通過流量和進出口壓差。

圖9 試驗臺液壓系統原理圖1-油箱；2-加熱器；3-液位計；4-排油閥；5-空氣濾清器；6-溫度計；7、14-蝶閥；8、15-減震喉；9-螺桿泵；10、17-電機；11、18-過濾器；12-冷卻器；13-電磁水閥；16-比例變量泵；19-比例溢流閥；20-電液換向閥；21-流量計；22-壓力傳感器；23-壓力表；24-被試閥測試工裝

壓差-流量特性測試時，比例溢流閥升壓至切斷閥試驗壓力，電液換向閥20左位得電，油液正向流入被試閥A口，比例泵流量逐漸增大，流量計、壓力傳感器測試閥通過流量和進出口壓差。

耐久性特性測試時，重復進行切斷流量特性測試。

3.3 結果分析

Labview軟件被廣泛應用于虛擬測試技術[18-22]，叉車用液壓切斷閥性能測試試驗臺采用該測試軟件，根據上述液壓原理制作了液壓切斷閥測試裝置，該裝置分為液壓系統與測控系統，開發專用軟件，配合數據采集卡完成傳感器數據的采集、處理、計算，比例泵、比例閥等的控制，測試曲線的繪制，測試報告的生成。

采用該設備，對某型液壓切斷閥(該閥樣本提供參數：切斷流量65±10L/min，切斷后流量10±3L/min，80L/min壓力損失為0.7MPa)進行了性能測試，液壓切斷閥測試曲線如圖10、11所示。由圖10可知，該測試方法可以測得閥進出口壓差隨流量的變化規律，隨正向通過閥的流量增大，閥進出口壓差逐漸升高，在80L/min時，壓差約為0.7MPa，由圖11可知，反向流通時，流量在58L/min時切斷，切斷后7L/min，測試結果符合該型切斷閥樣本參數。

圖10 液壓切斷閥試驗-穩態流量壓差曲線

圖11 液壓切斷閥試驗-切斷流量曲線

同時，采用該設備對125臺液壓切斷閥進行性能測試，根據測試結果發現有6臺液壓切斷閥實際性能參數超出規定指標，拆開檢查存在閥芯磨損、彈簧剛度過大和配合間隙不合理情況，證明了該試驗臺對產品質量保證具有重要作用。

4 結論

采用AMESim對液壓切斷閥和回路進行了模擬仿真。其次，研究了性能測試方法，得出了液壓切斷閥的性能指標，同時設計開發了測試設備和液壓測試軟件；研究結果表明，通過采用比例變量泵控制系統流量，迅速變化比例變量泵信號，以采集卡為信號連接中端，對信號輸出控制和數據采集處理，可以采用系統流量突增來模擬進口管路爆裂工況，并進行切斷試驗；該裝置簡單、成本低、安全性高；實現了試驗臺自動化，提高了測量精度；可代替傳統裝置中的臺架和緩沖裝置。