新型液壓平衡閥性能概述

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摘要：介紹了某新型液壓平衡閥工作原理，用功率鍵合圖法建立了該閥的動態模型，并轉換為狀態方程，用Matlab對液壓平衡閥動態特性進行了數字仿真，研究了該平衡閥主要結構參數對其動態性能的影響，所得出的結論可指導產品的工程設計。

關鍵詞：平衡閥；鍵合圖；液壓系統；仿真中圖分類號
    液壓平衡閥能隨時建立與變化負載相平衡的背壓，能實現液壓油缸或液壓馬達在負載作用下運動限速、閉鎖，也能防止因油管破裂或制動失靈而使重物自由下落造成事故，因此應用十分廣泛［1］。國外典型產品有日本生產的BLG型平衡閥、德國生產的FD型平衡閥等。國內產品大多是20世紀七八十年代仿國外制造的，普遍存在低頻抖動、控制壓力偏高、工作平穩性差、結構較復雜等問題，不能滿足大噸位工程機械的性能要求。國內有關院校和研究單位對平衡閥進行過理論和試驗研究，但一直未能研制出理想的平衡閥產品。本課題研究的新型液壓平衡閥是在參考了國內外各種平衡閥結構、應用特點的基礎上，為適應目前國內大噸位起重機雙缸變幅系統的需要而提出來的，有重要工程實用價值。圖1平衡閥工作原理示意圖新型液壓平衡閥工作原理如圖1所示，新型液壓平衡閥由主閥、控制閥及兩個保持閥構成，主閥（單向閥）和控制閥同軸布置，處于平衡閥閥體的中心線上，而兩個保持閥相對于主閥芯和控制閥芯的中心線呈對稱分布［2］。主閥采用錐面密封，大大提高了密封性；保持閥閥芯、主閥閥芯、控制閥閥芯上開設阻尼孔，改善了平衡閥的運動穩定性；控制閥芯增加一個剛度系數較小的彈簧保證控制閥芯能快速回位。負載下降時，一部分液壓油被泵入油缸的上腔（有桿腔），另一部分液壓油作為控制油，推動控制閥閥芯移動，油缸下腔（無桿腔）的液壓回油則經保持閥、主閥流回油箱，負載下降。當重物超速下降時，造成油缸上腔供油不足，壓力降低，使得控制閥閥芯左端的油壓降低，在彈簧力的作用下，主閥閥芯左移，主閥閥芯與閥體之間的節流面積減小，回油阻力加大，負載下降速度變慢，后主閥閥芯、控制閥閥芯和控制壓力之間達到了一種動態平衡，重物不至液壓平衡閥能隨時建立與變化負載相平衡的背壓，能實現液壓油缸或液壓馬達在負載作用下運動限速、閉鎖，也能防止因油管破裂或制動失靈而使重物自由下落造成事故，因此應用十分廣泛

有重要工程平衡閥工作原理示意圖

新型液壓平衡閥工作原理
如圖1所示，新型液壓平衡閥由主閥、控制閥及兩個保持閥構成，主閥（單向閥）和控制閥同軸布置，處于平衡閥閥體的中心線上，而兩個保持閥相對于主閥芯和控制閥芯的中心線呈對稱分布［2］。主閥
采用錐面密封，大大提高了密封性；保持閥閥芯、主閥閥芯、控制閥閥芯上開設阻尼孔，改善了平衡閥的運動穩定性；控制閥芯增加一個剛度系數較小的彈簧保證控制閥芯能快速回位。負載下降時，一部分液壓油被泵入油缸的上腔（有桿腔），另一部分液壓油作為控制油，推動控制閥閥芯移動，油缸下腔（無桿腔）的液壓回油則經保持閥、主閥流回油箱，負載下降。當重物超速下降時，造成油缸上腔供油不足，壓力降低，使得控制閥閥芯左端的油壓降低，在彈簧力的作用下，主閥閥芯左移，主閥閥芯與閥體之間的節流面積減小，回油阻力加大，負載下降速度變慢，后主閥閥芯、控制閥閥芯和控制壓力之間達到了一種動態平衡，重物不至于失速，保證了載荷平緩下降。負載上升時，液壓油頂開主閥閥芯，經保持閥到液壓油缸下腔，推動油缸活塞上移，油缸上腔回油，實現載荷舉升。

新型液壓平衡閥動態建模鍵合圖法基本原理
功率鍵合圖是在20世紀60年代末和70年代初發展起來的一種動力學新方法［3!5］，這種方法能以
統一的方式處理多種能量形式并存的工程系統，圖形描述與數學描述的統一性及系統狀態方程建立的格式化方式，使其在各類系統動態建模中得到了廣泛應用。功率鍵合圖定義了4個廣義變量（勢變量

11）控制閥前腔液阻R2、
油缸活塞與缸壁之間的摩擦阻尼系數R4，保持閥前腔液阻R11、可變阻尼系數R12、保持閥閥芯與閥體之間的摩擦阻尼系數R18、保持閥后腔液阻R23；主閥進油腔液阻R26、可變阻尼系數R34、主閥后腔液阻R30、控制閥旁腔液阻R37、主閥閥芯與閥體之間的摩擦阻尼系數R42。其中：穩態時間為0.1906s，這些性能指標反映了新型液壓平衡閥響應快速、動態過程持續時間短、系統響應過程較平穩。圖4!圖8為油缸活塞桿運動速度隨新型液壓平衡閥部分結構參數變化的仿真曲線。圖4、6、7表明隨著控制閥閥芯中腔阻尼孔直徑、主閥節流口面積梯度、主閥彈簧剛度的增大，活塞桿速度的變化增大，上升時間變化不大、峰值時間減小，響應加快，但超調量增大，平穩性降低；圖5表明保持閥前腔閥芯的直徑變化對油缸活塞桿的動態性能影響不大；圖8表明隨著負載質量增大，活塞桿響應速度的上升時間變化不大，峰值時間增大，超調量增大，動態穩定性降低。

4結論
鍵合圖理論以狀態方程作為數模形式，可以方便地進行程序化建模與計算機仿真，建模過程中選取的狀態變量正是系統要求的部分物理量（如油缸活塞桿的運動速度）。仿真結果反映了新型液壓平衡閥動態響應快、超調量較小，平穩性好。大量的仿真試驗表明，隨著控制閥阻尼孔直徑、主閥節流口面積梯度、主閥彈簧剛度的增加，平衡閥的動態響應加快，平穩性降低。以上結論對平衡閥的產品設計提供了理論依據。如還想了解更多平衡閥資料，請點擊減壓閥查看。

參考文獻：
［1PederPedersen.strategiesforstabilizationofflowControlsystemwithCounterbalancevalves［M］.fluidPowernetInternational，2000.

［2］蔣波.新型組合式平衡閥動、靜態特性計算機仿真與產品研制［D］.長沙交通學院，1999.

［3］王中雙.鍵合圖理論及其在系統動力學中的應用［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000.［4］布倫德爾.鍵合圖在工程建模中的應用［M］.上海：上海科學技術文獻出版社，1990.

［5］潘亞東.鍵合圖概論—一種系統動力學方法［M］.重慶：重慶大學出版社，1990.

［6］賀尚紅，鐘掘.管道流體的瞬態仿真模型［J］.中南工業大學學報，2000（4）.

［7］陳桂明，張明照.應用MATLAb建模與仿真［M］.北京：科學出版社，2001