油溫對(duì)定量泵溢流閥系統(tǒng)壓力影響的試驗(yàn)研究

李忠山，范久臣，馬宇姝

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 前言

油溫對(duì)液壓系統(tǒng)和元件的各項(xiàng)性能有很大的影響［1］。油溫過(guò)高，液壓油的黏度降低，會(huì)出現(xiàn)油膜強(qiáng)度下降、系統(tǒng)泄漏增加、元件磨損加劇、縮短元件壽命等故障［2－3］。即使油液溫度在液壓油允許的范圍內(nèi)變化也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生影響，在進(jìn)行溢流閥啟閉特性實(shí)驗(yàn)中，常常因?yàn)橛鸵簻囟壬叨瓜到y(tǒng)壓力升不到原來(lái)調(diào)定的壓力。為了研究油溫變化對(duì)定量泵溢流閥系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力的影響，對(duì)QCS003實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行改動(dòng)后進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)回路如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)回路

1 試驗(yàn)過(guò)程［4］

實(shí)驗(yàn)一:關(guān)閉節(jié)流閥4，旋松溢流閥3的調(diào)壓手柄，啟動(dòng)液壓泵1，調(diào)節(jié)溢流閥3～7 MPa(壓力表2)，打開換向閥5，把壓力表6的開關(guān)打開檢測(cè)溢流閥7的入口處壓力，調(diào)節(jié)溢流閥7使壓力調(diào)定在5 MPa，觀察溫度表，當(dāng)油液溫度為20℃時(shí)關(guān)閉溢流閥3，把溢流閥7重新調(diào)定在5 MPa并鎖緊調(diào)壓手柄。每隔5℃記錄一組流量值、系統(tǒng)壓力ps(壓力表6)和背壓值p1(壓力表8)，檢測(cè)溫度范圍為20℃～65℃。

實(shí)驗(yàn)二:考慮到溢流閥7的出口與換向閥9和流量計(jì)10相接，會(huì)使溢流閥7的出口處產(chǎn)生較大的背壓，為了對(duì)比溢流閥出口有背壓和無(wú)背壓兩種情況，將溢流閥7出口與油箱直接相通，重復(fù)試驗(yàn)一，測(cè)得系統(tǒng)壓力p2(壓力表6)。

實(shí)驗(yàn)三:為分析流量變化對(duì)系統(tǒng)壓力的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在調(diào)定壓力為5 MPa，油溫為40℃時(shí)溢流閥7的壓力流量特性曲線。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理

為了分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成以下曲線。圖2是系統(tǒng)壓力隨油液溫度變化的曲線，其中ps曲線是溢流閥7的出口接換向閥9和流量計(jì)10的情況下測(cè)得的，p2曲線是溢流閥7的出口直接接油箱時(shí)測(cè)得的;圖3是溢流閥出口背壓隨油液溫度變化的曲線;圖4是流過(guò)溢流閥的流量隨油液溫度變化曲線;圖5是溢流閥7在油液溫度為40℃，調(diào)定壓力為5 MPa狀態(tài)下的閉合曲線。

圖2 系統(tǒng)壓力隨油液溫度變化曲線

圖3 溢流閥出口背壓變化曲線

圖4 溢流閥的流量隨油液溫度變化曲線

圖5 溢流閥閉合特性曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2中ps的曲線可看出，隨著油液溫度的升高系統(tǒng)壓力會(huì)下降。到65℃時(shí)降低到20℃時(shí)調(diào)定壓力的94%左右。通過(guò)對(duì)測(cè)得的曲線分析，系統(tǒng)壓力降低的原因主要有3個(gè)方面:

(1)溢流閥出口背壓變化的影響。通過(guò)圖2中的兩條曲線對(duì)比，可以看出，溢流閥的出口背壓會(huì)影響系統(tǒng)的壓力，當(dāng)溢流閥出口直接接油箱(背壓接近為零)時(shí)，系統(tǒng)的壓力受油液溫度變化的影響變小，65℃時(shí)的系統(tǒng)壓力是20℃時(shí)系統(tǒng)壓力的96%，少變化了2%。這是因?yàn)橐缌鏖y的出口背壓隨著油液溫度的變化而發(fā)生了改變，如圖3所示。由于溢流閥的先導(dǎo)閥出口接到主閥的出口，溢流閥的出口背壓作用到先導(dǎo)閥的閥芯上，則先導(dǎo)閥閥芯的受力平衡方程為:

即溢流閥的調(diào)定壓力p是由彈簧力Fs、閥芯重力Fg、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fy、摩擦力Ff以及出口背壓p1產(chǎn)生的力p1A之和決定的，隨著油液溫度升高，油液黏度減小，p1降低［5］，從而使先導(dǎo)閥的調(diào)定壓力p降低，進(jìn)而使系統(tǒng)壓力降低。由于背壓p1是直接作用在先導(dǎo)閥閥芯上，其對(duì)系統(tǒng)壓力的影響，在數(shù)值上就等于p1的變化量，這從圖3的曲線上可以看出，本次試驗(yàn)中背壓p1減小了0.1 MPa，占系統(tǒng)壓力5 MPa的2%，圖2中的兩條曲線相比較也相差2%(65℃時(shí)p2比ps少變化0.1 MPa)。

(2)通過(guò)溢流閥的流量變化的影響。在忽略支路泄漏的情況下，流過(guò)溢流閥的流量就是定量泵的輸出流量。在一定工作壓力、一定工作轉(zhuǎn)速下，泵的容積效率隨工作油溫的升高而降低［6］，從圖4來(lái)看，定量泵的輸出流量隨著油液溫度的升高而減少，65℃時(shí)減少到20℃時(shí)的94%左右。根據(jù)圖5可知，通過(guò)溢流閥流量減小會(huì)使溢流閥的系統(tǒng)壓力降低。圖4顯示出油液溫度從20℃升到65℃，使泵的流量減少了6%，結(jié)合圖5看，這部分流量變化引起系統(tǒng)壓力變化的量很小，約為系統(tǒng)壓力的0.5%以下。

(3)溢流閥主閥閥口壓降變化的影響。根據(jù)溢流閥的結(jié)構(gòu)，主閥芯上的阻尼孔和先導(dǎo)閥組成的油路與主閥閥口屬于并聯(lián)關(guān)系［7］，所以主閥閥口的壓降Δp和先導(dǎo)閥支路壓降相等，系統(tǒng)的壓力等于主閥閥口壓降Δp和溢流閥出口背壓p1之和。

由通過(guò)主閥閥口的流量公式［7］

式中:Cd為流量系數(shù);

A0為閥口通流面積;

Δp為閥口壓降。

由式(3)可知，閥口的壓降Δp隨著流量系數(shù)Cd的增大而減小。而閥口的流量系數(shù)Cd和閥口流動(dòng)的雷諾數(shù)Re有關(guān)，

式中:v為閥口平均流速;

ν為液體的運(yùn)動(dòng)黏度;

Dh為閥口的水力直徑。

由于油液溫度的升高，油液的運(yùn)動(dòng)黏度ν減小，使閥口油液流動(dòng)的雷諾數(shù)增大。而閥口的流量系數(shù)Cd是隨著雷諾數(shù)Re的增大而增大［8］，進(jìn)而使主閥閥口的壓降Δp減小。由于錐閥閥口流量系數(shù)Cd隨著雷諾數(shù)Re變化的變化規(guī)律是［7］:隨著雷諾數(shù)Re的增大，流量系數(shù)Cd增大的速度逐漸變得緩慢。也就是隨著油液溫度的升高，壓降Δp的變化幅度變小。p2曲線顯示出隨油液溫度升高，系統(tǒng)壓力的變化逐漸變緩。

同一個(gè)系統(tǒng)在不同的調(diào)定壓力下，由于閥口通流面積A0的不同，Δp變化的數(shù)值會(huì)不同，通過(guò)測(cè)試也符合圖2中p2曲線的變化規(guī)律(經(jīng)過(guò)測(cè)試，溢流閥出口直接接油箱時(shí)，系統(tǒng)壓力在20℃時(shí)調(diào)定4 MPa，到50℃時(shí)，系統(tǒng)壓力降低了0.15 MPa，降低了調(diào)定壓力的3.75%)。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，定量泵溢流閥系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力隨著油液溫度的升高而降低，主要是由于隨著油液溫度的升高油液的黏度減小。油液的黏度減小，一方面使溢流閥回油管路的沿程損失和局部損失降低，這部分變化作用在溢流閥的先導(dǎo)閥閥芯上，相當(dāng)于旋松了溢流閥的調(diào)壓手柄，其對(duì)系統(tǒng)壓力的影響，在數(shù)值上就等于溢流閥出口背壓的變化量。如果重視不夠，對(duì)系統(tǒng)的定壓精度會(huì)有很大的影響;另一方面，使定量泵的容積效率下降，使通過(guò)溢流閥的流量減少，引起系統(tǒng)壓力降低。這是由定量泵和溢流閥的性能決定的，正常情況下對(duì)系統(tǒng)壓力影響較小;第三方面，使溢流閥閥口的流量系數(shù)增大，閥口流過(guò)相同流量的油液所產(chǎn)生的壓降減小。減小油液溫度變化對(duì)系統(tǒng)壓力影響的辦法主要是控制油液溫度的變化范圍并使系統(tǒng)油溫在50℃以上工作、減小溢流閥出口背壓、使用黏溫特性好的油液。

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