交变负载中平衡回路的系统稳定性研究

    交变负载是指在运动过程中,负载大小和方向随着运动而进行周期性的变化。由于负载的不断变化,容易引起液压缸压力的变化而造成工件的超速失控。因此,必须在液压系统中设置能产生一定背压的液压元件,克服负载变化的影响,以控制工件的运行速度,这种回路称为平衡回路。

    通常使用的平衡回路主要有采用顺序阀、节流阀和平衡阀等几种平衡回路。由于前两种回路只能适用于不变负载的情况下,对负载的变化无法自动调整。而平衡阀能够克服负载变化的影响,因此在变负载中主要使用采用平衡阀的平衡回路。

    笔者以采用平衡阀的平衡回路为例,从平衡回路系统原理出发,对交变负载下平衡回路的稳定性进行分析,找出影响回路稳定性的因素,并提出提高平衡回路稳定性的条件。

    1　交变负载的力平衡分析及液压系统设计

    图1是一个齿轮齿条缸传动的变负载机构,对负载进行0~180°翻转。在0~90°时,液压缸承受正向负载,且负载由最大值逐渐向0过渡;在90°~180°时,液压缸开始承受超越负载,且超越负载会逐渐增大。在机构运动的末端,液压缸承受的负载最大。超越负载会造成机构的超速下降。

    在0~90°液压缸所受的负载变化为:

    Ap1(t)=Ap2(t)+f(t)            (1)

    在90°~180°时液压缸所受的负载变化为:

    Ap1(t)=Ap2(t)-f(t)           (2)

式中:p1、p2为液压缸进、回液压力;

    A为液压缸活塞工作面积;

    f为负载力。

    因此,如何保证运动过程中速度的平稳,是液压系统设计的重点。液控平衡阀中的节流口随控制压力(即进液腔压力)与回液腔压力之间的压差变化而变化,压差升高,节流口开度变大;压差降低,节流口开度变小。这种回路适用于所平衡的负载有变化的场合。如负载变大时,液压缸的活塞有超速运行的趋势,使进液腔压力变小,压差降低,平衡阀节流口开度自动变小,背压升高以平衡变大的负载;反之,超越负载变小,节流口开度自动变大,背压降低以适应变小的负载。平衡阀节流口的开度与控制压力、压差三者间的动态平衡关系共同决定了从液压缸排出的流量基本不变,从而使负载平稳下降。

    2　液压平衡回路稳定性分析

    从以上平衡阀的工作原理可知,在阀芯开启后,逐渐使平衡阀的流通面积达到稳态值,这时阀产生的背压力正好能够平衡负载变化所带来的影响。但是由于惯性阀芯继续运行,使平衡阀的流通面积超过了稳态值,产生的背压已经不能平衡负载,于是活塞的运动速度加速,进液腔压力减小。这样又使平衡阀的流通面积减小,活塞的运动速度变慢,进液腔压力又增大,阀又趋于打开。如此交替反复的打开、闭合,使液压缸不断地增速、减速,就会造成液压系统的不稳定。