液壓阻尼回路在《液壓傳動》教學中的應用探討

劉成強， 姜繼海， 羅念寧， 陳 躍， 張 磊

(1.徐州工程學院機電工程學院， 江蘇徐州 221018； 2.哈爾濱工業大學機電工程學院， 黑龍江哈爾濱 150001)

引言

液壓傳動具有功率密度比大、動態響應快、布局安裝靈活等優點，因而被廣泛應用于各行各業，尤其是重型機械、行走機械等領域。液壓技術水平的高低是一個國家工業發展水平的標志。液壓傳動課程在機械類人才的培養中具有舉足輕重的地位，是工科類學生的必修課程。針對如何培養學生學習能力、創新能力和實踐能力，為國家建設和發展輸送高水平的液壓技術人才，眾多高等教育工作者對此進行了廣泛的研究和探索[1-4]。課程思政是落實高校立德樹人根本任務的重要途徑，也是新時代發展對專業課程教學就德才兼備型應用人才培養目標提出的明確要求，沈偉等[5]、路珍等[6]研究了課程思政元素如何融入液壓傳動教學。針對新冠疫情線上教學背景，周明峰等[7]對液壓傳動線上教學改革進行了研究。液壓傳動課程需要培養學生的實踐能力，實驗教學過程也是重要的培養方法，陳敏捷等[8]、劉愛軍等[9]、孫月華等[10]研究了實驗教學方面的改革與創新。

1973年西德阿亨工業大學液壓與氣動研究所巴克教授出版了著作《閥與調節回路中液壓阻力回路系統學》，經太原工學院周文翻譯為《液壓阻尼回路系統學》。該書從基本的單元阻力回路出發，研究了阻力調節與控制的共性，運用阻力回路基本原理來分析液壓傳動中的液壓閥與液壓回路，反映液壓傳動的基本工作原理，“與閥、系統的多樣性無關”[11]。液壓元件結構形式眾多，同一種元件也有不同的結構形式，通過阻尼回路來描述液壓元件和系統具有統一性，即相同工作原理的液壓元件或液壓系統可以有各種具體的機構形式，阻尼回路是唯一的，可以避免學生學習時“紛繁復雜”的感覺，是采用國標符號教學的有益補充。針對目前液壓傳動課程教學中很少有介紹液壓阻尼回路方面知識的不足，本研究對液壓阻尼回路在液壓傳動課程液壓閥及典型回路教學中的應用進行了論述。

1 典型液壓閥的阻尼回路

1.1 單向閥

液壓單向閥在液壓回路中可以控制液壓油的單向流動，比如：安裝在液壓泵的出口，避免液壓油的倒流；安裝在管路中，避免負載反向運動；2個單向對置安裝可以構成梭閥；單向閥與其他功能的閥并聯構成組合閥；安裝在回油管理中起到背壓作用，單向閥的阻尼回路如圖1所示。

圖1 單向閥阻尼回路Fig.1 Damping circuit of check valve

單向閥閥芯的受力平衡方程為：

pA=Kx0

(1)

式中，p為單向閥入口壓力；A為單向閥閥芯的受壓面積；K為單向閥的彈簧剛度；x0為彈簧的預壓縮量。

單向閥的彈簧預壓縮量較小，因此開啟壓力較低。端口2壓力高于端口1的壓力時，彈簧力和端口2的壓力合力使閥口關閉。

液壓執行元件一般為雙向運動，即管路中的液壓油一般是2個方向都可以運動的，因此需要雙向運動的管路中可以安裝液控單向閥，即增加了控制口C，通過控制口C連接控制油，實現單向閥閥口在外部控制油的作用下開啟。液控單向閥的阻尼回路如圖2所示。

圖2 液控單向閥阻尼回路Fig.2 Damping circuit of hydraulic controlled check Valve

液控單向閥閥芯的受力平衡方程為：

pA1=Kx0或pcA2=Kx0

(2)

如果液壓執行元件2個方向都需要在可控的情況下雙向流動，2個液控單向閥并聯，即構成雙向液壓鎖，雙向液壓鎖阻尼回路如圖3所示。P口的壓力作用在單向閥1的閥芯上，使P口到1口的油路聯通，同時P口的壓力作用在單向閥2的閥芯上，使2口到T口的油路連通。控制口沒有壓力時，在彈簧力和負載口1，2的壓力作用下，閥口處于關閉狀態，實現鎖止功能。

圖3 雙向液壓鎖阻尼回路Fig.3 Damping circuit of bidirectional hydraulic lock

1.2 溢流閥

溢流閥用來控制入口的壓力，直動式溢流閥的阻尼回路如圖1所示，即直動溢流閥的阻尼回路與單向閥的阻尼回路是一樣的，單向閥在系統中可以起背壓作用，工作原理等效于溢流閥。

順序閥阻尼回路原理也如圖1所示，控制信號是入口的壓力信號，當壓力大于彈簧設定值時，阻尼開啟，實現油路聯通，順序閥與溢流閥的區別在于應用目的不一樣，順序閥出口2連接液壓執行元件，溢流閥出口2連接油箱。

由式(1)可以看出，如果系統壓力很大，液壓壓力對閥芯產生的作用力很大，這時彈簧的結構尺寸很大，可以采用壓力差與彈簧力相平衡的方式，閥芯受到的液壓力合力減小，彈簧尺寸得到減小。差壓式直動溢流閥如圖4所示，差式直動溢流閥增加了1個控制口，可以減小彈簧的大小，也可實現入口壓力自動跟隨負載的變化，實現溢流壓力比控制口壓力高恒定的值。

差壓式直動溢流閥的閥芯的平衡方程方程為：

pA1-pcA2=Kx0

(3)

先導式溢流閥的阻尼回路原理圖如圖5所示。可以看出主閥芯3為差壓式直動溢流閥，壓力差由阻尼孔1產生，先導溢流閥2閥芯測壓面積很小，所以液壓產生的壓力小，減小了彈簧的尺寸，先導閥2是結構尺寸很小的直動式溢流閥。

圖5中先導溢流閥開啟后的壓力關系為：

p2A3=K2x20

(4)

主溢流閥閥芯3的受力平衡為：

p1A1-p2A2=K1x10

(5)

由式(5)可以看出，主溢流閥閥芯3與阻尼孔1前后的壓力差(p1-p2)相平衡，(p1-p2)的值較小，因此主溢流閥3的彈簧結構尺寸可以較小。先導溢流閥2的開啟壓力為p2，主溢流閥的入口壓力為p1，壓力受流過固定阻尼1的流量影響，這種形式的先導溢流閥在沒有開啟時沒有液壓油流過阻尼孔1，根據帕斯卡靜壓原理，此時p1等于p2。當先導溢流閥2開啟后，先導溢流閥調定的壓力p2與入口壓力p1存在壓力差，為減小此偏差，可以調整先導溢流閥2的測壓點位置，調整后的阻尼回路如圖6所示。

圖6 測壓點在前先導式溢流閥阻尼回路Fig.6 Damping circuit of pilot relief valve withpressure measuring pointin front

此時先導溢流閥閥芯開啟壓力關系為：

p1A3=K2x20

(6)

1.3 減壓閥

減壓閥用來實現控制出口的壓力低于入口壓力的減壓，原理是利用液壓油的流動產生液阻，直動式兩通減壓閥的阻尼回路如圖7所示。阻尼孔是常開式的，即在彈簧力的作用下閥口是常開的。反饋測壓點是檢查B端口的壓力，如果B端口壓力大于彈簧力，閥口過流面積開始減小，直到最小為0。此時如果存在負負載，即B端口的壓力主動繼續升高，相當于B端口是壓力源，此時由于阻尼口完全關閉，此時B端口的壓力會繼續升高，破壞B端口液壓元件。

圖7 直動式兩通減壓閥阻尼回路Fig.7 Damping circuit of direct acting pressure reducing valve

為減小直動式減壓閥彈簧的參數，減壓閥的閥芯可以做成差動式，如圖8所示。

圖8 定差減壓閥阻尼回路Fig.8 Damping circuit of differential pressure reducing valve

定差減壓閥閥芯的受力平衡方程為：

Kx0=p1A2-p2A1

(7)

為解決直動式兩通減壓閥B端在外負載作用下壓力繼續升高的問題，可以采用直動式三通減壓閥，如圖9所示。阻尼1和阻尼2機械關聯，B端壓力超過限定值之后，B端與液壓油箱相連，可以避免壓力繼續升高，此時相當于增加了一個自由度，類似于負載口獨立控制技術。

圖9 直動式三通減壓閥阻尼回路Fig.9 Damping circuit of direct acting three-way pressure reducing valve

與先導式溢流閥原理類似，先導式減壓閥的阻尼回路如圖10所示。

圖10 測壓點在后先導減壓閥阻尼回路Fig.10 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring point behind

先導溢流閥閥芯受力平衡方程為：

p2A2=K2x0

(8)

主減壓閥1閥芯受力平衡方程為：

(pB-p2)A1=K1x10

(9)

阻尼2的大小是固定的，阻尼2的壓力差與流量、流體的黏度有關。當阻尼2沒有流量時，p2和pB壓力相等，當阻尼1有液壓油流過時，阻尼1有壓力差，此時彈簧K2設置的壓力等于p2，小于減壓閥的出口壓力pB，存在調壓偏差，閥前測壓先導減壓閥的阻尼回路如圖11所示。

圖11 測壓點在前先導減壓閥阻尼回路Fig.11 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring pointin front

固定阻尼2的入口壓力為pB，出口壓力為p2，先導閥彈簧K2調定的壓力為：

pBA1=K2x0

(10)

當阻尼2的壓力差大于彈簧K2設置的壓力時，減壓閥主閥口1面積減小，實現減壓。可以看出減壓閥以出口壓力位檢測目標構成閉環控制，先導閥彈簧K2設定的壓力即為減壓閥的出口壓力。

2 典型調速系統的阻尼回路

對液壓執行元件進行速度控制是液壓傳動系統的重要功能。液壓執行元件的速度由流入液壓執行元件的流量決定，根據系統提供的流量是否可變可分為恒流量系統和變流量系統。恒流量系統中液壓執行元件的調速通過分流實現。變流量系統中提供的總流量可以調節，可以實現分流控制與容積控制的結合。多個液壓執行元件復合動作時需要不同液壓執行元件之間通過壓力補償進行流量分配。

2.1 定量泵系統的調速阻尼回路

恒流量系統單液壓執行元件的調速回路如圖12所示，此時泵的出口壓力恒定，輸出流量恒定，液壓執行元件的速度由節流閥2或節流閥3調整。

圖12 定量泵單執行元件調速回路Fig.12 Speed regulating circuit of quantitative pump with single actuator

根據流量守恒得到方程：

qp=q1+q2

(11)

根據壓力平衡得到方程：

pp=pL+Δp

(12)

流經節流閥2的流量為：

(13)

為保證節流閥的壓力差恒定，可以采用調速閥。調速閥的阻尼回路原理圖如圖13所示，節流口2前設置定差減壓閥1，保證節流口2的壓力差恒定。如果壓力差大于設定值，減壓閥1減小開口，減壓作用增大；如果壓力差小于設定值，減壓閥1節流口面積增大，減壓作用減小。減壓閥1全部打開后，失去調控作用。

圖13 閥前補償調速閥阻尼回路Fig.13 Damping circuit of flow control valve with compensator in front

壓力補償器也可安裝在節流閥后面，即閥后補償。阻尼回路如圖14所示。

圖14 閥后補償調速閥阻尼回路Fig.14 Damping circuit of flow control valve with compensator behind

壓力補償器和節流閥可以是并聯式的，即構成三通流量閥，如圖15所示。三通流量閥2采用分流原理實現速度控制，入口壓力可以跟隨負載進行調整，即構成負載敏感系統(Load Sensing System，LSS)[12-13]。

圖15 三通流量閥阻尼回路Fig.15 Damping circuit of three way flow control valve

由三通流量閥構成的定量泵負載敏感系統如圖16所示。

圖16 定量泵LS系統阻尼回路Fig.16 Damping circuit of quantitative pump LSS

泵的出口壓力為：

pp=pL+Δp

(14)

其中節流口1的壓力差Δp為：

(15)

由圖16可以看出泵的出口壓力跟隨負載變化，僅比負載大恒定的值Δp，該值由三通流量閥2的彈簧調定。由于降低了系統的壓力裕度，系統壓力跟隨負載壓力變化，可以實現泵站總功率的降低，同時節流閥1的壓力差保持恒定，實現了對執行元件速度的線性控制。

定量泵控制2個液壓執行元件的LS系統阻尼回路如圖17所示。

圖17 定量泵負載敏感系統Fig.17 Load sensing system with quantitative pump

2.2 負載敏感泵LS系統阻尼回路

定量泵LS系統中由于泵提供的流量是恒定的，流量多于液壓執行元件需求的流量，存在溢流損失，因此采用變量泵的LS系統可以進一步提高系統效率，系統原理如圖18所示。通過變量泵的變量實現流量按需供給，沒有多余的流量，沒有溢流損失，提高了系統效率。

圖18 負載敏感泵LS系統阻尼回路Fig.18 Damping circuit of LS system with LS pump

2.3 LUDV系統阻尼回路

圖18所示的系統為閥前補償負載敏感系統，即壓力補償器在節流閥前面。當系統需求的流量超過液壓泵提高的最大流量時，此時節流閥的壓力差降低，壓力補償器開口面積最大，失去調整作用，此時流量全部流向低壓負載，高壓負載停止動作，失去復合動作功能。為解決流量飽和時負載之間的流量分配問題，可采用閥后補償負載敏感系統，即LUDV系統。LUDV是德語Lastdruck Unabh?ngige Durchfluss Verteilung的縮寫，譯為負載獨立流量分配，或與負載無關流量分配。與LS系統的不同之處是壓補償閥在節流閥后，同時壓力補償閥的反饋壓力是負載的最大壓力[14-16]，LUDV系統原理如圖19所示。

LUDV系統的流量守恒方程為：

qp=q1+q2

(16)

壓力回路方程為：

pp=pL1+Δpv1+Δpc1=pL2+Δpv2+Δpc2

(17)

壓力補償器1閥芯的受力平衡方程為：

Kx1=(pv1-pLS)A=(pp-Δpv1-pLS)A

(18)

壓力補償器2閥芯的平衡方程為：

Kx2=(pv2-pLS)A=(pp-Δpv2-pLS)A

(19)

對式(19)和式(18)求比值得到：

(20)

式中,x1，x2為壓力補償器閥芯的位移；Δpv1，Δpv2為主節流閥的壓力差，c為pp-pLS，假定在流量飽和時2個主節流閥的給定面積相等，支路1的負載小于支路2的負載，假設此時輕載支路的流量大，Δpv1大于Δpv2，可以得到x1小于x2，即補償器1的面積過流面積小于補償器2的過流面積，實現低壓壓力補償作用大于高壓側壓力補償作用，避免流量全部流向輕載荷側，避免流量飽和時重負載支路停止運動，有利于保證多執行元件的復合動作。

3 結論

本研究探討了液壓阻尼回路在液壓傳動教學中的應用，結論如下：

(1) 由溢流閥和減壓閥的阻尼回路原理圖可以看出都是采用壓力反饋控制原理，減壓閥的測壓點在后，溢流閥的測壓點在前，減壓閥的阻尼口常開，溢流閥的阻尼口常閉。帶彈簧的單向閥與直動溢流閥、順序閥的阻尼回路相同；

(2) 通過阻尼回路理論可以清晰的分析液壓傳動中的開環控制與閉環控制，即有的元件或系統是開環控制，有的是閉環控制，而且閉環控制還存在反饋檢查點位置的差異；

(3) 液壓元件結構復雜，工作原理相同的元件可以有不同的具體機械結構形式，國標液壓符號是唯一的，液壓阻尼回路也是唯一的，用阻尼回路來描述和分析工作原理更詳細，能反應液壓元件或液壓系統的細節，更容易使學生理解和學習液壓元件和系統的工作機理。阻尼回路教學方法是采用國標液壓符號教學方法的有益補充；

(4) 通過阻尼回路介紹了液壓系統中調速回路的演化過程，定量定壓調速系統效率低，負載敏感系統可以實現壓力跟隨，減小能量損失；

(5) 目前行走機械中廣泛采用的LS系統和LUDV系統，通過LS和LUDV系統的阻尼回路可以看出壓力補償器的位置不同，LS系統壓力補償器在前，LUDV系統壓力補償器在后；

(6) 負載口獨立(閥口獨立)技術也是研究的熱點，目前尚未寫入液壓傳動教材中，基于阻尼回路可以很容易的將負載口獨立技術引入到液壓傳動的教學中。