流量对溢流阀影响的动态特性研究及仿真分析

　　0 引言

　　溢流阀在液压系统中的作用是保持系统压力基本不变。对溢流阀的性能要求是: 所控压力变化范围应尽量小; 当系统流量发生变化时, 阀芯运动不应发生冲击和震荡, 运动要尽量平稳。本文所研究的溢流阀是专门用于某液压静力压桩机液压系统的关键元件。随着静力压桩机吨位的增大, 液压系统流量的增加, 传统的单溢流阀卸荷已不能满足系统卸荷要求。因此目前对于大吨位的静力压桩机的液压系统常采用双溢流阀卸荷, 然而在实际工作中, 系统流量较大的压桩机从中位卸荷状态切换到工作状态后, 常出现无法建立起系统压力的问题,严重影响了压桩机正常工作。针对此问题, 本文利用Matlab/Simulink 作为仿真的工具对双溢流阀卸荷和建压系统中位卸荷后, 建立系统工作压力的过程进行了动态特性分析, 仿真分析了随着流量的增大稳态液动力对于溢流阀的影响。

　　1 溢流阀系统工作过程

　　静力压桩机液压控制系统中位卸荷后无法建立起系统压力的故障, 根本原因在于双溢流阀卸荷和建压系统中的先导式溢流阀无法正常动作。为寻求解决系统故障的方法, 我们需要进一步分析造成先导式溢流阀, 在系统从中位卸荷状态切换到工作状态后无法正常动作的原因, 为此我们对双溢流阀卸荷和建压系统及其关键液压元件—先导式溢流阀进行深入的分析。为便于有针对性地研究和分析液压系统中位卸荷后, 无法建立起系统压力的故障原因, 根据静力压桩机的整体液压控制系统原理图, 我们绘制出双溢流阀卸荷和建压系统简图如图1所示。

　　从图中可以看出系统中的二位二通阀, 通常情况下处于接通状态。如果系统中的三组多路换向阀都处于中位, 那么两个先导式溢流阀的远程控制口与油箱接通,主阀芯上腔的压力立即降至油箱压力, 于是主油路只需略具压力就足以推动主阀芯上移, 两溢流阀主阀芯处于最大开启位置, 液压控制系统处于低压卸荷状态; 如果三组多路换向阀中任意一个换向阀不处于中位, 那么两个先导式溢流阀的远程控制口与油箱断开, 双溢流阀主阀芯在复位弹簧的作用下将阀口关闭, 油泵输出油液流向相应的工作油路, 压桩机完成相应的动作, 当系统压力达到调定压力时, 双溢流阀主阀芯再次上升至最大开启位置, 但此时液压控制系统是处于高压溢流状态。因此静力压桩机液压控制系统是利用多路换向阀来控制双溢流阀的远程控制口与油箱接通或断开, 从而完成系统中位卸荷状态与工作状态之间的切换。

　　2 双溢流阀系统故障原因分析

　　基于YF 型三节同心先导溢流阀的结构特征, 其在双溢流阀卸荷和建压系统中, 充当卸荷阀或高压溢流阀的工作原理, 注意到先导式溢流阀在由低压卸荷状态切换为高压溢流的初始状态与做为系统安全压力阀时, 主阀的动作的差异。后者溢流口初始处于关闭状态, 随着系统执行机构工作阻力的增大, 系统压力Pa上升,形成主阀芯上、下腔压力差(P_a- P_b)>0, 这种静压差是影响平衡孔油液自a 腔流向b 腔的决定因素, 尽管油路中油液具有一定的流速, 但由于它所形成的动压( 负压)影响甚小, 所以Pb将随Pa的增长而增长, 当系统压力达到调定压力后, 主阀芯上升, 溢流口开启^[1]; 而前者情况则截然不同, 在低压卸荷状态下, 主阀芯上升至最高位, 溢流口开启至最大通道, 油泵供油以高速经油腔a 通过溢流口返回油箱, 系统由低压卸荷状态切换至工作状态后, 虽然封闭了远程控制口, 但此时主油路压力Pa很低, 由a 腔从阻尼孔5 向b 腔补油速度很慢, 加之溢流口液流对主阀锥面的稳态液动力和瞬态液动力 ( 均阻止阀口关闭) 的作用, 而液动力的大小又与流量的大小有关, 流量大, 则液动力大, 因此在系统流量较大的压桩机中, 先导式溢流阀仅靠复位弹簧对主阀芯的作用力就很有可能无法使阀芯下移从而关闭阀口, 溢流口通道截面长期得不到明显减少甚至无法关闭, 系统仍处于卸荷状态, 无法建立起压力。