功率键合图在新型组合式平衡阀动态特性中的应用

　　在液压系统中,为了防止液压系统因为管道故障或者制动失灵造成事故,广泛采用了平衡阀.液压平衡阀能建立与负载相适应的背压系统,能使液压油缸或液压马达在负载作用下限速、闭锁,因此应用十分广泛[1~4].本文在文献[2]基础上展开仿真,采用的键合图的仿真结果和文献中的曲线结果吻合较好.

　　1 平衡阀工作原理

　　液压平衡阀具有单向阀和溢流阀的功能,它能随时建立与变化负载相平衡的背压,能实现液压油缸或液压马达在负载作用下运动限速、闭锁,也能防止因油管破裂或制动失灵而使重物自由下落造成事故.因此应用很广泛.例如在起重机的起升机构、变幅机构、伸缩机构中均要用到平衡阀.如图1所示为平衡阀工作原理,当换向阀处于左位工作状态时,一部分液压油直接到达液压油缸的上腔,另一部分液压油作为控制油,推动平衡阀先导阀芯右移,从而顶开单向阀,液压油缸无杆腔的液压回油则经保持阀部分和单向阀部分流回油箱,负载下降,当重物超速下降时,造成液压油缸上腔供油不足,压力降低,从而促使控制阀芯左端的液压油压力降低,在弹簧力的作用下,主阀芯左移,节流面积减小,回油阻力加大,负载下降,速度变慢.这样使主阀芯、控制阀芯和控制压力之间达到了一种动态平衡,重物不至于失速,起到安全保护作用.

　　当换向阀处于中位时,控制阀芯在弹簧力的作用下处于新型组合式平衡阀的左侧,主阀部分和保持阀部分在液压油缸下腔的液压油和弹簧力的作用下关闭,通过锥面实现可靠密封,使重物随时可靠地停留在某一位置上.当换向阀处于右位时液压油顶开单向阀,经保持阀到液压油缸下腔,推动油缸活塞外移,共同提升重物.新型组合式平衡阀结构原理图详见文献[2].

　　功率键合图从功率的流动出发,运用一套建模理论,得出的模型不仅直观、简明、层次分明,便于建立状态方程及传递函数模型,而且状态变量是一些系统中存在的实际物理量,使用起来很方便.本文采用功率键合图方法来建立新型组合式平衡阀的动态模型.

　　2 平衡阀的键合图^[5]动态特性模型

　　为了模型简单起见,在建模过程中忽略管道的动态效应,忽略油缸、阀体与阀芯之间的泄露,并假设油泵的供油恒定.当重物下降,即换向阀处于左位工作时,对组合式平衡阀开启过程的动态特性进行分析.得出系统的功率键合图模型如图2所示,图中TF为功率转换元件;qi,pi分别为位移、动量变量.考虑到平衡阀的影响因素[6]有:油缸有杆腔(包括平衡阀主阀导向部分、泵至油缸的管道)的液容C3(即与第三根键键接的容性元件,下面的命名规则亦同),油缸无杆腔(包括平衡阀保持阀旁腔、前腔部分)的液容C13;保持阀后腔的液容C22;主阀进油腔的液容C26;平衡阀主阀后的液容C38;保持阀、主阀等效的弹簧柔度C17,C34;各阀口的液动力pi;重物的等效质量I8(包括活塞杆及活塞质量);保持阀、主阀芯的等效质量I16,I33;重物重力S_e0;保持阀、主阀弹簧的预压缩力S_e19,_Se32;泵向系统供油的流量S_f1;油缸转换系数m6,m9(分别对应有杆腔和无杆腔的有效作用面积);平衡阀转换系数m4,m14,m23,m28,m35(分别对应主阀导向部分、保持阀前腔、保持阀后腔、主阀进油腔、主阀后腔的有效作用面积);主阀前腔液阻R₂;可变阻尼系数R5;保持阀前腔液阻R₁₁;可变阻尼系数R12;摩擦阻尼系数R18;后腔液阻R21;主阀进油腔液阻R27;摩擦阻尼系数R30;主阀后腔液阻R₃₇.