恒功率流量控制阀的设计与应用

　　工程液压系统中, 经常遇到执行元件在负载大时速度低、负载小时速度高的工况。以往采用恒功率源来实现这种工况, 以充分利用原动机的功率。但在小功率的节流调速系统中往往需要若干个换向阀和节流阀( 或调速阀), 不仅回路结构复杂, 而且只能分档调节, 难以根据负载大小自动无级调; 或采用电液比例控制系统, 这将使系统复杂许多。最近我们在一个长行程升降平台的设计过程中, 由于储存空间小, 举升高度大, 而采用多级液压缸实现其升降运动。系统要求升降速度均匀, 而多级液压缸在不同的行程段, 其作用面积不同, 因而平台的运动速度和工作压力均与作用面积成反比。为此设计了恒功率流量控制阀来实现系统要求。

　　1 工作原理

　　恒功率调速阀由定差减压阀、节流阀和构成整流桥路的四个单向阀组成, 图 1 为该阀的功能符号原理图。与常规的调速阀一样, 节流阀阀口前后压差由定差减压阀确定, 然而节流阀节流口的过流断面面积由负载压力和作用在节流阀上的两根弹簧来控制, 负载压力升高, 节流面积减少, 使控制流量减小; 负载压力降低, 节流面积增大, 使控制流量增大。

　　与恒功率变量泵的变量机构类似, 其输出流量的期望功率曲线为 pq=常数的双曲线, 而实际功率曲线由折线来近似。图 2 为恒功率调速阀的特性曲线。

　　图 3 为该阀的结构示意图, 由于单向阀比较简单, 且布置在阀体的另一层内, 为简化起见, 其结构用符号代替了。设控制负载为一单作业多级液压缸所推动的重力负载 G。当负载上升时, 压力油从 A口经单向阀由 C 进入等差减压阀和节流阀, 再经 D和单向阀通过 B 口进入多级液压缸, 推动负载上升; 负载所产生的压力 p_B=G/A₁作用到节流阀右端的阀芯上, 与节流阀芯左端的弹簧相平衡, 我们采用内外两个弹簧来与作用在节流阀右端的负载压力相平衡, 以实现节流开口按预定要求进行变化,外弹簧有一定的预压缩量, 内弹簧有一定的预间隙量。当 p_B≤p₁时, 恒功率调速阀输出最大流量 q_max,多级液压缸的运动速度 v=q_max/A₁; 当液压缸带负载上升到第二级活塞外伸时, 液压缸作用面积减小为A2, 负载压力 p_B=G/A₂, 若 p₁≤p_B<p₂, 节流阀芯向左移动, 节流面积减小, 使恒功率调速阀输出流量减小为 q₁, 多级液压缸的运动速度 v=q₁/A₂; 当液压缸带负载上升到第三级活塞外伸时, 液压缸作用面积减小为 A₃, 负载压力 p_B=G/A₃, 若 p₂≤p_B≤p₃时, 恒功率调速阀输出流量继续减小为 q₂, 多级液压缸的运动速度 v=q₂/A₃; 当液压缸带负载上升到第四级活塞外伸时, 液压缸作用面积减小为 A₄, 负载压力 p_B=G/A₄, 若 p₃≤p_B时, 恒功率调速阀输出流量继续减小为 q_min, 多级液压缸的运动速度 v=q_min/A₄。而节流阀的节流边设计为一锥面, 使其过流断面面积与阀口开度成正比, 由于节流阀口的压差由等差减压阀保持不变, 阀的输出流量与阀口开度成正比; 而阀芯行程就是弹簧的压缩量, 阀口开度是预开口和行程的差, 这样阀的输出流量与负载压力的关系就如图 2 的两条折线所示, 从而保证了多级液压缸运动速度的一致。当负载下降时, 压力油从 B 口经单向阀由 C 进入等差减压阀和节流阀, 再经 D 和单向阀通过 A 口进入换向阀回油箱, 负载依靠自重下降。同理, 其下降速度一致。