某新型液壓集成閥的研究

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

引言

目前國內(nèi)液壓伺服機構(gòu)不是采用純機械方式驅(qū)動，就是采用伺服閥控制馬達液壓方式驅(qū)動，由于純機械方式驅(qū)動精度低，功率偏小、操作較為復(fù)雜。伺服閥控制馬達方式驅(qū)動精度較高，但一般的伺服閥容易受工作介質(zhì)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(qū)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(zhì)污染度的影響，可靠性較高、操作方便。

針對這一特點，某系統(tǒng)單位要求研制該型液壓集成閥，該型液壓集成閥是在結(jié)合液壓伺服系統(tǒng)集成油路的基礎(chǔ)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(xiàn)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(jié)構(gòu)原理圖。

液壓集成閥服機構(gòu)中液壓控制系統(tǒng)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(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)臺工作，當(dāng)液壓馬達轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺在低速、中速和高速狀態(tài)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(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出對應(yīng)的流量，當(dāng)液壓馬達轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺液壓系統(tǒng)負載壓力和系統(tǒng)進油壓力發(fā)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(zhuǎn)臺不易受到液壓沖擊而損害轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)原理圖

2　液壓集成閥設(shè)計

液壓集成閥的設(shè)計主要是對流量恒定閥、電磁換向閥、單向閥和殼體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2.1　流量恒定閥設(shè)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(jié)流閥組成，減壓閥維持節(jié)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(jié)流閥通過調(diào)整固定節(jié)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(jié)流閥出口壓力p3和進油壓力p2，其兩端的壓差(p2-p3)產(chǎn)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(jù)圖2所示流量恒定閥工作原理圖建立流量恒定閥在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下流量連續(xù)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(shù)；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(jié)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(yù)壓縮量，m；A為流量恒定閥閥芯有效作用面積，m2；Fs為穩(wěn)態(tài)液動力，N。

(3) 流量恒定閥中節(jié)流閥閥口流量方程：

式中：qv2為節(jié)流閥閥口閥流量，m3/s；Cd2為節(jié)流閥閥口的流量系數(shù)；W2為節(jié)流閥閥口面積梯度，m；y為節(jié)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(shù)可以得出流量恒定閥流量連續(xù)性方程：

2.2　電磁換向閥設(shè)計

電磁換向閥為常閉兩通兩位插裝式結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)原理圖。

圖3　電磁換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

根據(jù)電磁電磁換向閥結(jié)構(gòu)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(fù)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(yù)緊力，N；FK為彈簧座與閥體之間液壓預(yù)緊力，N；K為彈簧剛度，N/m；X0為彈簧預(yù)壓量，m。

(2) 電磁鐵斷電閥芯復(fù)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(shè)計

在該液壓集成閥中單向閥主要負責(zé)溝通高壓與低壓油道，保證系統(tǒng)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(yù)緊力壓緊鋼球，當(dāng)液流由1腔進入時，克服彈簧預(yù)緊力將鋼球頂開，實現(xiàn)從2腔流出，反之切斷油路。如圖4所示為單向閥結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4　單向閥結(jié)構(gòu)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(shè)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(chǎn)的鋁堵塞和堵套。

3　試驗驗證

在實驗室利用專用試驗設(shè)備對液壓集成閥性能測試，按照圖5所示將產(chǎn)品各個接口與轉(zhuǎn)接板相連，轉(zhuǎn)接板用螺釘固定于試驗設(shè)備安裝座上。其中產(chǎn)品p0與試驗設(shè)備進油口相連，T0口與試驗設(shè)備總回油相連，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(dāng)系統(tǒng)壓力開始從6 MPa升至21 MPa時，流量處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(shè)計要求。

圖5　試驗連接圖

圖6　測試性能曲線

4　結(jié)論

對液壓集成閥中流量恒定閥、電磁換向閥和單向閥的設(shè)計，分析研究液壓集成閥的性能，并在實驗室對其進行性能測試，繪制性能曲線，驗證液壓集成閥性能滿足設(shè)計要求。

液壓集成閥作為一種新型的集成式控制閥，與液壓馬達相連比傳統(tǒng)的伺服閥控制馬達具有操作加工方便和不易受系統(tǒng)受污染度的影響，未來液壓集成閥在伺服控制系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)兄鴱V闊的應(yīng)用前景。

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