液壓系統(tǒng)壓力切換模式改進(jìn)研究

許敏宇, 沈俊, 藏軍

(中船重工第七〇 三研究所 無錫分部，江蘇 無錫214151)

0 引 言

液壓技術(shù)的快速發(fā)展給我國(guó)工程機(jī)械的研發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。通過輸入工程機(jī)械的整體設(shè)計(jì)要求，完成了對(duì)工程機(jī)械的主要裝置和與其對(duì)應(yīng)的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。受成本和體積的限制，工程機(jī)械多個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的動(dòng)力往往由同一個(gè)液壓泵提供，很多場(chǎng)合通常選取恒壓泵來提供動(dòng)力，單個(gè)液壓恒壓泵提供多個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的動(dòng)力，并且這些機(jī)構(gòu)動(dòng)作的負(fù)載壓力是存在差異的，而且同一個(gè)機(jī)構(gòu)不同工況的負(fù)載壓力也是存在差異的，這就需要根據(jù)不同負(fù)載調(diào)節(jié)恒壓泵的壓力輸出。

如果不能根據(jù)不同的負(fù)載調(diào)節(jié)恒壓泵的壓力輸出，就會(huì)出現(xiàn)泵出口的壓力遠(yuǎn)大于執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)負(fù)載所需壓力的狀況，這就會(huì)帶來壓力的浪費(fèi)，根據(jù)功率等于壓力與流量的乘積可知，會(huì)帶來功率的浪費(fèi)，明顯不符合目前機(jī)械產(chǎn)品節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)，所以有必要開展壓力切換匹配工況負(fù)載壓力的研究。

1 研究背景介紹

目前已開發(fā)出恒壓功能的軸向柱塞泵[1]，具有節(jié)能、高效、大功率的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、工業(yè)動(dòng)力站、航空航天等工業(yè)液壓系統(tǒng)領(lǐng)域。泵輸出的壓力已經(jīng)可以遠(yuǎn)程控制，通過特定的壓力切換閥設(shè)置不同的壓力切換值，使得泵輸出的恒定壓力可以切換。

該泵的具體原理如下[2]：當(dāng)泵的出口壓力未達(dá)到遠(yuǎn)程溢流的設(shè)定值時(shí)，柱塞泵的斜盤維持在最大角度，泵的排量保持最大值，當(dāng)泵的出口壓力達(dá)到遠(yuǎn)程溢流閥的設(shè)定值時(shí)，溢流閥卸荷，泵的出口壓力被換向閥引入泵的排量控制缸，推動(dòng)缸使泵的排量降到最低，泵保持恒壓狀態(tài)，即恒定在遠(yuǎn)程溢流閥的設(shè)定壓力下，這種形式被稱為遠(yuǎn)程控制恒壓變量泵。

常見的遠(yuǎn)程控制方案是配置多級(jí)壓力切換閥，是由一定數(shù)量的兩位四通電磁換向閥和配套的溢流閥組成，每個(gè)電磁換向閥和溢流閥串聯(lián)，連接泵的控制油口，電磁換向閥根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)控制閥芯動(dòng)作來引入壓力油進(jìn)入溢流閥，這些兩位四通電磁換向閥和配套的溢流閥可以集成在一個(gè)集成塊中，組成一個(gè)多級(jí)壓力切換閥。

泵的控制油口直接連接多級(jí)壓力切換閥的進(jìn)油口P口，配置測(cè)壓口MP、MT,分別用來檢測(cè)P口和T口的壓力，同時(shí)多級(jí)壓力切換閥的T口和液壓油箱連通。圖1所示為多級(jí)壓力切換閥的原理圖，該閥的主要工作原理為：系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)分別控制電磁閥X1a、X1b和X1c，并且決定溢流閥V1、V2和V3是否接入液壓系統(tǒng)。溢流閥V1、V2和V3內(nèi)部的彈簧力不同，對(duì)應(yīng)不同的溢流壓力，決定了系統(tǒng)不同的壓力輸出。

具體工作原理為：X1a電磁閥有輸入電信號(hào)時(shí)，其余電磁閥保持待機(jī)，電磁閥X1a換向，泵壓力控制口連接溢流閥V1，溢流閥V1接入系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力由溢流閥V1的溢流壓力決定；在類似情況下，X1b電磁閥有輸入電信號(hào)時(shí)，其余電磁閥保持待機(jī)，系統(tǒng)壓力由溢流閥V2的溢流壓力決定；X1c電磁閥有輸入電信號(hào)時(shí)，其余電磁閥保持待機(jī)，系統(tǒng)壓力由溢流閥V3的溢流壓力決定；X1d電磁閥有輸入電信號(hào)時(shí)，此時(shí)泵壓力控制口封堵，相當(dāng)于連接一個(gè)溢流壓力無限大的溢流閥，此時(shí)系統(tǒng)壓力由泵自帶溢流閥決定。

通過采用上述多級(jí)壓力切換閥，在整機(jī)液壓系統(tǒng)的程序設(shè)定中，根據(jù)不同的動(dòng)作機(jī)構(gòu)及其所需壓力的差異，程序設(shè)定不同的動(dòng)作命令給予相對(duì)應(yīng)的電磁換向閥換向信號(hào)，使得相對(duì)應(yīng)的溢流閥接入系統(tǒng)起作用，實(shí)現(xiàn)恒壓泵的壓力切換功能，保證所需壓力與提供壓力最大程度上的匹配，實(shí)現(xiàn)能量節(jié)約的目的。

但是該多級(jí)壓力切換閥也存在一定的缺點(diǎn)，比如當(dāng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，設(shè)置較多的電磁換向閥和溢流閥，會(huì)帶來閥的體積和質(zhì)量及成本的增加，或者壓力需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，也不可避免地會(huì)帶來上述問題，無法滿足現(xiàn)如今越來越嚴(yán)格的產(chǎn)品節(jié)能和成本、體積、質(zhì)量要求，必須拋棄現(xiàn)有的思路，開發(fā)新的方案以滿足精準(zhǔn)調(diào)壓的要求，同時(shí)兼顧成本、體積、質(zhì)量等要求。

圖1 多級(jí)壓力切換閥

2 改進(jìn)方案介紹

針對(duì)多級(jí)壓力切換閥的上述缺點(diǎn)，本文提出了一種無級(jí)壓力切換閥用于克服其缺點(diǎn)，這種無級(jí)壓力切換閥是根據(jù)輸入信號(hào)來決定溢流壓力的一種壓力調(diào)節(jié)閥，該閥內(nèi)部原理是輸入的電流大小決定了內(nèi)部閥芯的電磁力，而電磁力和泵的輸出壓力分別引入閥芯的兩端，通過閥芯的運(yùn)動(dòng)達(dá)到閥芯的力平衡，即系統(tǒng)壓力是隨著輸入電流的變化而變化的，達(dá)到一種平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)泵的控制壓力的無級(jí)調(diào)節(jié)。

圖2所示是配置無級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥的液壓系統(tǒng)，無級(jí)壓力切換閥有4個(gè)油口，P為與恒壓柱塞泵連接油口，MP為壓力測(cè)試口，T為與液壓油箱連接的油口，MT為其對(duì)應(yīng)的測(cè)壓口，通過將P口油壓引入閥芯的端面，與輸入電流的電磁力相互平衡，以此實(shí)現(xiàn)壓力的變換。

相比于之前描述的多級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥，本文所述的無級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)在于：拋棄了壓力多級(jí)切換的思路，實(shí)現(xiàn)壓力無級(jí)切換，能夠滿足越來越精細(xì)的壓力調(diào)節(jié)需求，只需要改變輸入調(diào)節(jié)閥的電流[3]，即可改變溢流壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒壓柱塞泵的壓力的變換，理論上可以滿足任意壓力的精準(zhǔn)匹配，所以稱之為無級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥。該閥能夠?qū)崿F(xiàn)壓力與負(fù)載的完美吻合，最大限度地節(jié)約能量，同時(shí)體積、質(zhì)量不到之前多級(jí)壓力切換閥的1/4。

無級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥在壓力變換過程中，系統(tǒng)的壓力波動(dòng)較小。從原理上來說，多級(jí)壓力切換閥是通過切換不同的溢流閥來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的切換，切換過程中是階躍變化的，而無級(jí)壓力調(diào)節(jié)閥是通過輸入電流的變化，驅(qū)動(dòng)閥芯的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)，壓力調(diào)節(jié)過程相比階躍變換來說，要平緩得多，所表現(xiàn)出的壓力波動(dòng)也比較小，有利于液壓系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖2 無級(jí)壓力切換閥1.恒壓柱塞泵2.液壓油箱

3 結(jié) 語(yǔ)

無級(jí)壓力切換閥應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制恒壓柱塞泵，打破了原有多負(fù)載恒壓液壓系統(tǒng)多級(jí)壓力調(diào)節(jié)的模式，壓力可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，可以滿足多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的壓力需求，同時(shí)也能滿足單一機(jī)構(gòu)不同工況下壓力的需求，最大限度地節(jié)約液壓系統(tǒng)的能量，有利于整機(jī)的節(jié)能，同時(shí)在壓力切換過程中，由于無級(jí)壓力切換的壓力是逐漸變化的，避免了之前多級(jí)壓力切換閥壓力的階躍變化，壓力波動(dòng)也較傳統(tǒng)的多級(jí)壓力切換閥要小，有利于液壓系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定。同時(shí)相比于多級(jí)壓力切換閥，無級(jí)壓力切換閥在體積、質(zhì)量、成本上都有優(yōu)勢(shì)，從三個(gè)方面克服了之前多級(jí)壓力切換閥的缺點(diǎn)，可以替代多級(jí)壓力切換閥，適宜在需要壓力切換的液壓系統(tǒng)中推廣使用。