調(diào)速閥的工作原理與使用要求

□ 徐成東

四川建筑職業(yè)技術(shù)學院 交通與市政工程系 四川德陽 618099

在定量泵供油的液壓系統(tǒng)中,用流量控制閥對執(zhí)行元件的運動速度進行調(diào)節(jié)的回路稱為節(jié)流調(diào)速回路。節(jié)流調(diào)速回路是在工程機械、礦山機械、組合機床、壓力加工等領(lǐng)域應用較為廣泛的一種調(diào)速回路[1]。節(jié)流調(diào)速回路按流量控制閥位置的不同,可分為進油路節(jié)流調(diào)速回路、回油路節(jié)流調(diào)速回路、旁油路節(jié)流調(diào)速回路三種[2]。

1 節(jié)流調(diào)速回路分析

1.1 由節(jié)流閥構(gòu)成的節(jié)流調(diào)速回路

由節(jié)流閥構(gòu)成的進油路節(jié)流調(diào)速回路如圖1所示。這一回路使用定量泵作為動力元件,依靠改變流量控制閥開度的大小來改變進入執(zhí)行元件的流量,進而改變執(zhí)行元件的速度。定量泵多余的油液通過溢流閥流回至油箱,這是進回油路節(jié)流調(diào)速回路能夠正常工作的必要條件。由于溢流閥有溢流,因此泵的出口壓力為溢流閥的調(diào)定壓力,并基本保持定值[3]。

圖1 由節(jié)流閥構(gòu)成的進油路節(jié)流調(diào)速回路

液壓泵的出口壓力設(shè)為pP,液壓缸無桿腔進油壓力設(shè)為p1。當負載F發(fā)生變化時,p1會發(fā)生變化,而pP不變,則節(jié)流閥的進出口壓力差Δp會發(fā)生變化?？梢?在開度不變的前提下,節(jié)流閥的流量將發(fā)生變化,液壓缸的油液流速也將發(fā)生變化,最終使活塞的速度v發(fā)生變化。在由節(jié)流閥構(gòu)成的節(jié)流調(diào)速回路中,液壓缸的速度受負載變化的影響很大,速度不夠穩(wěn)定。此類回路只適用于工作負載變化不大,速度穩(wěn)定性要求不高的場合[4]。

1.2 由調(diào)速閥構(gòu)成的節(jié)流調(diào)速回路

由調(diào)速閥構(gòu)成的進油路節(jié)流調(diào)速回路如圖2所示,調(diào)速閥由定差減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)而成。

圖2 由調(diào)速閥構(gòu)成的進油路節(jié)流調(diào)速回路

節(jié)流閥進口油液壓力作用在定差減壓閥的a腔和b腔,面積分別為A1和A2。節(jié)流閥出口油液壓力作用在c腔,面積為A。調(diào)速閥工作時,減壓閥處于受力平衡狀態(tài),則有:

p2A1+p2A2=p3A+Fs

(1)

由于A1、A2之和為A,化簡式(1),得:

p2-p3=Fs/A

(2)

式中:p3為液壓缸進油腔壓力;p2為節(jié)流閥進口壓力;p1為液壓泵出口壓力;Fs為定差減壓閥彈簧的調(diào)定壓力。

顯然,定差減壓閥的進口壓力為p1,出口壓力為p2。節(jié)流閥的出口壓力為p3,大小取決于負載F。

調(diào)速閥工作時,節(jié)流閥的進出口壓力差Δp為p2-p3,由定差減壓閥的彈簧調(diào)定壓力Fs決定。減壓閥閥心在工作過程中位移很小,即彈簧的壓縮量變化很小,且彈簧的剛度較小,因此可認為Fs不變。換言之,調(diào)速閥在工作過程中無論負載如何變化,節(jié)流閥進出口壓力差是不會變化的[5]。通過各類小孔的流量q為:

q=kATΔpm

(3)

式中:k為小孔流量因數(shù),取決于小孔的結(jié)構(gòu)、尺寸和流體特性等,一般認為是常數(shù);AT為小孔的通流面積;m為壓差指數(shù),取決于小孔的長徑比,一般取1/2～1。

由式(3)可知,對于調(diào)速閥而言,在節(jié)流閥通流面積不變的前提下,壓力差為定值,通過節(jié)流閥的流量也不會發(fā)生變化,即調(diào)速閥的流量不會發(fā)生變化。

綜上所述,相比節(jié)流閥,調(diào)速閥工作時具有自動調(diào)節(jié)功能,其流量不受負載的影響,具有穩(wěn)定速度的作用[6-7]。因此,調(diào)速閥適用于執(zhí)行元件負載變化大,對速度穩(wěn)定性要求較高的系統(tǒng)[8]。

2 調(diào)速閥使用要求

2.1 最小壓差要求

調(diào)速閥之所以能夠穩(wěn)定流量,是因為內(nèi)部的定差減壓閥能夠保持節(jié)流閥兩端的壓力差不變,壓力差的大小取決于減壓閥的彈簧調(diào)定壓力。但是,當系統(tǒng)的負載所形成的壓力和液壓泵的工作壓力比較接近時,分配在調(diào)速閥上的壓力差必然很小,此時節(jié)流閥兩端的壓力差不足以克服減壓閥彈簧的調(diào)定壓力,減壓閥的閥心左移,減壓閥處于最大開度狀態(tài)。此時,減壓閥形同虛設(shè),起不到維持流量穩(wěn)定的作用。調(diào)速閥只能起節(jié)流閥的作用,無法適應負載的變化,速度也不穩(wěn)定?？梢?在設(shè)計液壓系統(tǒng)時,分配給調(diào)速閥的壓力差應略大于其最小值。一般情況下,調(diào)速閥壓力差最小值為0.5 MPa。只有當調(diào)速閥的進出口油液壓力差大于或等于0.5 MPa時,采用調(diào)速閥進行油路速度調(diào)節(jié)才能體現(xiàn)出調(diào)速穩(wěn)定性好、速度剛性高的優(yōu)點[9]。

2.2 壓差不宜過大

盡管調(diào)速閥能起到保持節(jié)流閥進出口壓差恒定的作用,從而穩(wěn)定流量,但是當壓差過大時,調(diào)速閥的能量損耗將會增加。節(jié)流調(diào)速回路的進油路壓力損失分為兩部分,分別為定差減壓閥的壓力損失和節(jié)流閥的節(jié)流壓力損失。設(shè)定差減壓閥的壓力損失為Δpj,如前文所述,進油路總壓力損失為p1-p3,節(jié)流閥進出口壓力損失為p2-p3,于是有:

p1-p3=Δpj+Fs/A

(4)

變形得:

Δpj=p1-p3-Fs/A

(5)

由式(5)可知,當定差減壓閥的彈簧調(diào)定壓力不變時,分配在調(diào)速閥上的壓差越大,定差減壓閥帶來的壓力損失也就越大。在這種情況下,液壓回路的功率損失很大。盡管調(diào)速閥適用于負載變化范圍比較大的場合,但是壓差過大時回路效率很低。

2.3 調(diào)速閥不得反裝

調(diào)速閥只能正向安裝,不能反向安裝。如圖3所示,當調(diào)速閥反裝時,液壓泵輸出的壓力油先經(jīng)過節(jié)流閥,再經(jīng)過定差減壓閥,然后到達液壓缸。油液經(jīng)過節(jié)流閥時,必然會產(chǎn)生壓力損失,此時液壓泵輸出油液的壓力大于減壓閥的進口壓力,也就是節(jié)流閥的進口壓力大于出口壓力。由于a、b兩個腔的受力面積之和等于c腔的面積,因此不難看出,作用在c腔的油液推力大于作用在a、b兩腔的油液推力。此外,減壓閥彈簧存在向左的調(diào)定壓力,減壓閥的閥心必然會向左移動至最大開度位置,減壓閥不再起減壓作用,調(diào)速閥只起節(jié)流閥作用,不具備穩(wěn)定流量和速度的功能。

圖3 調(diào)速閥反裝時進油路節(jié)流調(diào)速回路

在一些場合,工作機構(gòu)往復直線運動時需要實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速且速度穩(wěn)定,液壓缸也需要在活塞往復運動時進行調(diào)速且穩(wěn)定流量。調(diào)速閥只能單向使用,如果在液壓缸的進油、回油路上均設(shè)置調(diào)速閥,那么回路的結(jié)構(gòu)將會變得比較復雜,使用成本也會增加。由一個調(diào)速閥和四個單向閥構(gòu)成的橋式整流油路如圖4所示。這一油路巧妙利用單向閥正向?qū)?、逆向截止的功?保證液壓缸活塞往復運動時都可以得到比較穩(wěn)定的速度?；钊蛴疫\動時,液壓源輸出的壓力油通過二位四通換向閥的左位、單向閥4、調(diào)速閥、單向閥2,可以到達液壓缸的左腔,此時回路為進油路節(jié)流調(diào)速回路?；钊聪蜻\動時,液壓缸左腔的回油油液經(jīng)過單向閥3、調(diào)速閥、單向閥1、換向閥的右位流回油箱,此時回路為回油路節(jié)流調(diào)速回路。

圖4 橋式整流油路

3 結(jié)束語

調(diào)速閥能夠保持內(nèi)部節(jié)流閥兩端壓力差恒定,具有穩(wěn)定流量和速度的作用,因此在節(jié)流調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)速回路中應用廣泛[10]。在設(shè)計液壓系統(tǒng)時,應充分考慮負載大小及變化范圍、液壓泵額定壓力及額定流量、溢流閥調(diào)壓范圍、調(diào)速閥通流量之間的關(guān)系,合理分配流量和壓差。在使用過程中,也應根據(jù)負載的大小,合理調(diào)整溢流閥的工作壓力,使調(diào)速閥的壓差不低于最小值,并且不會因壓差過大而導致大量能量損失。