变载机构的液压控制系统设计

　　一、概述

　　变载机构——顾名思义，指的是在运行过程中质量或质量力矩发生变化的设备。例如塔吊、闸门启闭机、倾动设备、翻转装置和升降装置等。

　　尽管现都已使用液压传动技术，但同常规设备相比，变载机构的控制有两个明显的技术要求：一是，液压控制系统要能克服负载变化对速度产生的影响，确保机构连续无冲击平稳运行;二是，液压系统须有安全措施，确保机构在紧急情况下能立即定位而不坠落。而要阐述一种行之有效的控制原理，就得先了解系统中的主要液压元件—FD 型平衡阀。

　　二、FD 型平衡阀工作原理

　　FD 型平衡阀亦称单向截止型平衡调速阀，是力士乐公司生产的液压元件。图1显示了其内部结构。

　　FD 型平衡阀主要由阀体1，主锥阀芯2，辅助阀芯3，先导阀芯4，牵引阀芯5，阻尼孔6 及阀套11 组成。该阀正确连接方法是：油口A 接压力源，油口 B 接负载。当液流从A 至 B 时为自由流动，主锥阀被打开。如果A、B油口间的压差小于负载压力(例如系统失压或方向阀至油口A 间的连接软管爆裂时)，则主锥阀在容腔 7 中的负载压力和容腔8 中的弹簧力作用下直接关闭，截止时无内泄漏，这样可使运行中的负载安全定位，不致于突然坠落，此谓该阀的单向截止功能。当液流从B 至 A 时为反向流动，原始状态主锥阀关闭。要使主锥 l 阀打开，实现液流B 至A 的真正反向流动，油口 X 中必须有足够的先导控制压力。阀的自身结构特性已确定：仅在X 口中建立起控制压力，即 1/20 的负载压力时，主锥阀上的预开阀便被打开，也就是说球形阀芯10被先导阀芯 4 从锥阀座上顶起;与此同时，辅助阀芯3 沿轴向右移。这样，便出现以下两种情况：其一,容腔 8 中的压力油通过辅助阀芯3 中的小孔，流经球形阀芯10 与主锥阀间敞开的缝隙，从油口A 卸入油箱，实现容腔8 的卸载;其二，容腔8 与油口 B 的负载压力腔断开，主锥阀完全处于卸载状态;此时，先导阀芯4 的位置刚好使其右端面紧顶住主锥阀，左端面紧靠着牵引阀芯5 的凹面。所以，为打开B 到A 通道而在 X 油口中所需的压力则完全由容腔9 中的弹簧力所决定。样本中提供数据表明：使B 到A 通道打开的初始压力为2 MPa，完全打开则需要5 MPa。

　　那么，FD平衡阀究竟是如何克服负载变化影响，而保证机构运行速度不变的呢?现结合图2 予以说明。

　　这是典型的变负载控制，摆角 φ 从 0°～90°表示机构运行全过程，相对于支点 O 的负载力矩由小到大变化。在 0°位置机构起动的瞬间，液压缸工作腔(即活塞腔)的工作压力为最高，而设置在有杆腔回路中的 FD 型平衡阀，因其 X 油口中的控制压力取自于另一侧，所以主锥阀被打开，液压缸按排出的流量Q2运行;随着摆角 φ 的不断增大，机构便存在超速下倾趋势，致使有杆腔的负载压力升高，而无杆腔的工作压力降低，于是主锥阀便左移，其控制棱边遮住阀套11上的部分小孔，使欲增加的Q2减小而趋于原值，从而确保机构运行速度不变。主锥阀虽左移，但不会关闭,因为如果这样的话，无杆腔瞬间上升的压力又将其打开。所以主锥阀是随动的。其开口度与 X 油口中的控制压力、阀口压差三者间的动态平衡关系共同决定了从执行器排出的流量保持不变。这就是该阀的平衡调速功能。