8 0 液压液力 HY DR ODY N AMI CS HYDROSTATI CS 小型液压挖掘机节流系统主阀芯节流 口计算 郭勇 陈勇 何清华 罗伟 中南大学机 电工程学院 湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要 针对 目前在小型挖掘机上比较常用的一种液压系统 节流系统进行了分析与说明 并对该 系统所采用的多路阀阀芯的节流槽面积的确定方法进行了叙述 通过对 U形节流 口的分析 在现有 的通流 面积计算公式的基础上 提出了一种更为简便且符合工程实际的计算方法 关键词 小型挖掘机 节流系统 阀芯 节流面积计算 中图分类号 T H1 3 7 5 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 5 5 4 X 2 0 0 6 0 9 0 0 8 0 0 4 An a l y s i s a n d r e s e a r c h o n t h e s p o o l o f t hr o t t l e s y s t e m a pp l i e d i n t h e mi n i e x c a v a t o r GUO Yo n g CHE N Yo n g HE Qi n g h u a L U0 We i 1 节流系统概述与分析 1 1 目前常用的几种液压 系统 根据小型挖 掘机液压 系统 中采用 的主阀 的中 位机能 液压系统可分为开 中心系统 和 闭中心 系 统 或称节流系统和 L S系统 阀在中位时 进油口直接与油箱相通的系统 为开中心系统 其 中负流量控制系统就是 一种开 中心负荷敏感系统 其系统结构为负流量控制变 量泵 开心阀 回油旁路 流量检测元 件及反馈油 路 日本川崎公司制造 的 K3 V系列 主泵及 KMX 系列 主阀所 组成 的 系统 是典 型 的负 流量 控 制 系 统 已得到广泛应用 阀在 中位 时 进油 口直接 被堵死的为闭 中心 系统 通过 L S油 路控 制主溢 流 阀打开 其中力士乐 的 L UD V L S 林德公 司 分流 比负 载敏 感 系统 都 属 于 闭 中心 负载 敏感 系统 阀在中位时 进 油 口的油分 为两部分 一部 分 回油箱 另一 部分流 向执行 机构 使 用这种 阀 的液压系统称 为节流系统 是 目前 小型液压挖 掘 机上比较常用 的一种液压系统 1 2 国内外研究现状 目前国外生产这种 比较典型 的多路 阀公司有 Na b c o Ka y a b a Ha n i l 小 松 力士乐 虽 然其 目 的都是为了控制挖掘机 但实现 的方式不一样 所 以设计的阀口形状和组合方式有明显的区别 力士 乐公司的节流 口形状比较复杂 而其它公 司生产 的 阀芯的节流 口相对来说 比较常见 基本 上都是 U 型 V型 L型及它们的组合 目前英 国 Ul t r o n i c s 公司生产了一种双阀芯换 向阀用于控制挖掘机 该 阀采用锥形节流面 其流量控制过程为 通过手柄 输入产生一电流信号 通过查询 E U *** 中 电流与流量的映射表 可得 出系统 所需流量 Q 检 测阀芯两侧压力差 得 出在 当前压差下获得 Q流量 所需的阀芯开 口面积 根据阀芯面积与位置的映射 表 计算出在当前压力下获得 Q流量时阀芯所处的 位置 然后对阀芯的位置进行控制 国外节流系统 多路阀的技术 已相对成熟 目前所考虑的问题是如 何更多地节能和使多路阀小型化 在 国内这种技术 相对来说还 比较薄弱 对此进行研究 的有 F DL一 1 2 型液压多路换 向阀l 1 对几种典型节流 口面积计 算公式进行的理论研究l 2 对三角槽节流 E l 的面积 的计算进行的研究I 3 等 目前 国内生产此类多路 阀 的厂家有四川长江液压件有限公 司等 但 由于多路 阀的功能及 性能 *** 未能在 挖掘机上 得到广 泛 应用 1 3 节流系统的分析 在实际系统中 主要是通过手柄控制先导阀 收稿 日期 2 0 0 6 0 4 0 5 通讯地址 郭勇 湖南省长沙市中南大学机电学院智能机 械 研究所 建冠 札械 2 0 0 6 0 9 上半月刊 维普资讯 再 由先导 阀的压力油推动 主阀阀芯调整位移 达 到调整通流面积的 目的 而在调整 阀芯位 移的 同 时 需要在 阀芯上 由相应 的节流槽形状及 节流槽 的组合方式与它配合 从 而达到准确控 制油缸速 度的 目的 阀芯节流 口的形状 和结 构不仅是 为了 满足控制流量 的要 求 还必须 考虑其它方面 的问 题 文献 5 阐述了 1 噪声与节流槽形状有 关 并且渐扩形节流槽容 易 出现 啸叫 而具 有等 截面流道的节流槽噪声较低 2 具有环形槽 的 主阀芯能够有效抑制气 ***和气*** 噪声 从实际操 作挖掘机 的过程 中 发现节流 口的形状还直接 与 执行机构 的动态稳定性 以及整 个液压系统 的节 能 有着密切的关系 节流系统是靠 回油节 流建立 的压力来 克服负 载压力 其调速特性 受负载压力和油 泵流量 的影 响 油路油缸起动的阀杆行程与负荷压力 泵流 量有关 负荷 压力愈高 泵流量愈小 阀杆死行 程愈大 调速 区域 愈小 轻 负荷时流量 调速行程 大 操纵性能好 重负荷时流量调 整行程小 操 纵性能差 速度 调整操 纵不稳定 阀杆操纵行 程 不变 随负荷变化 和泵流量变化 则油 缸速度会 产生变化 由于节流系统本 身的原因 存在着 一些缺 点 和不 足 1 挖掘机工作过程负载压力是不稳定和随 时变化的 液压泵 的流量也在不 断变化 因此使 其调速性能很不稳定 操纵困难 2 当一泵供 多个执行 器 同时动作 时 因液 压油是 向负 载轻 的执 行 器 流动 需 要 对 负载 轻 的执行器 控 制 阀杆进 行 节 流 因各 执 行 器 的负 荷 时刻在 变化 但又 要 合 理地 分 配 流量 以便 相互 配合 实现所要 求 的复合动作 是很 难 控 制 的 3 要满 足液 压挖 掘机各 种作 业 工况 要求 同时实现理想的复合动作 是很不容易的 但 由于这 种系统简单 价廉 抗污染 使用 维护容易 目前在小 型挖机 中还在广泛使 用 比 如 S WE 1 6 3 5 4 5 6 0中使用 的就是 这种系统 其他 如大 宇 3 5 5 5 C AS E 3 5 4 5 日立 E X 3 5 5 0等也是这种系统 2 节流主阀阀芯节流 口分析 2 1 阀芯上节流 口的作用 见图 1 图 1 节流系统系统原理 图 进油路上的节流槽 2用来控制进入执行油缸 的 流量大小 从 而 达到控 制 油缸运 动 速度 的要 求 回油路上的节流槽 3主要用来控制油缸在某种状态 下出现失速 如动 臂下降时 油缸 的回油腔与 油 箱之问的节 流槽 和同泵供油 的多个执行油缸 同 时动作时完成 良好 的复合动作 如采用节 流系统 的动臂和铲斗一般采用 同一 泵供油 当进行 铲斗 内收和动臂上升复合 动作 时 铲 斗的 回油腔与油 箱之间的节流槽 旁油路上 的节流槽 1主要用来 建立工作压力 推动执行 油缸运动 另外为 了保 证系统能正常工作 进油路上 的节流槽 与旁 油路 上的节流槽又是相互影响 相互制约的 2 2 选用阀口的主要原则 阀口形式有利于提高流量特性的刚性 抗阻 塞性能较好 对 油温和黏度 的变化不 敏感 具 有 足够的流量调节范 围和 良好 的调节均匀性 易于 实现 良好 的密封 性 而减少 内泄漏 工艺 性好 等 小型挖掘机多路阀常用的几种节流 口形状见图 2 2 3 U形节流口面积计算公式的改进 1 理论计算 文献 2 对几种用得最 多的节流 口的面积公 式进行 了详细 的分析 与研 究 对其通 流面积计算 公式进行了理论推导 并且也进行 了实际的证 明 由于那些公 式 比较烦琐 难以满足实 际工 程 的需 要 所以提 出了一种更 为简单 的计算 阀 口通流面 积的计算公式 建筑 札拭 2 0 0 6 0 9 上半月刊 维普资讯 液压液力 H YDR OD YN A MI CS HYD只OSTATI eS a U 形槽 r A 目 图 2 小型挖掘机常用的节流 口形状 文献 2 对于 U形 口的面积计算公式为 当 1 r 时 A2 A2 0十 r 2 Rn r s i nRr A fI吉 素 2 r 一 2 r R 一 式中 节流槽 的深度 rU形 口端 口的半径 R 阀芯的的最大直径 阀芯开 口量的大小 U形节流 口数 2 r 一 r Y R 一r 2 r 上述各式中 A 为在开 口量为 时 U形 口上 表面处面积公式 A 为在开 口量为 时 U形 口的 竖直面的计算公式 如图 3中填充处所示 在开 口 量为 时通流面积取两者 中的较小值 盘一 施 r 一 Z 图 3 U形节流 口通流面积计算 示意 图 在上述通流面积计算公式 中 对 U形 口 在 其阀口开度接近最大时 A 值均 比 A 小 其通流 面积取 A 值 由于此时 A 为一等截面 其值为 一1 一 一 恒值 A 1 I 寺f 2 a r s i n 古1 R 2 r R 一 r 2 一 L 1 2 r R一 1 该公式计算时既烦琐又无必要 此时 一 可 以用一简 单 的公 式 A d h代替 式 中用 两点 处 的弦长代替 了弧长 其 中 d和 h分别 如图 4所 示 图 5为笔者在 U形 口面积计算 时用简单公式 与冀宏所研究 的公式用 ma t l a b所绘 图形 的比较 由图可知 用简便公式计算 时误差很小 图 4 简单通流面积计算公式示意图 2 实践验证 通过对某公司的 1 6 t 挖掘机 的铲斗联阀芯小腔 回油 口节流 口的改 动及试验 验证了理论计算 的 可行性 试验前提 1 6 t 挖掘机铲 斗油缸伸出时速度太 慢 阀芯被送 回原厂 进行修改 修改 时把小腔 回 油 口上一 U形槽 的最大开 口面积从 2 3 mm 改为 4 mm2 小腔 回油 口上还有 其它节流槽 安装 后 建筑札械 2 0 0 6 0 9 上半月刊 维普资讯 图5 两种通流面积计算公式对比仿真结果 调试发现挖掘机的动臂和铲斗不 能正常进行复合 动作 测得动臂上 升时大腔 的压力不 够 结论是 面积增加太多 试验条件 发动机转 速为 2 1 0 0 r mi n 液压油 温为 5 0 试验仪器 2 5 MP a 压力表 压力传感器 0 6 0 MP a 秒表 液压综合测试仪 采用简单计算方法把小腔 回油 口上的 U形槽面 积从 2 3 r r n z 改为 3 r r 用秒表测得铲斗内收和外摆 的试验数据 见表 1 实际结果满足了工作要求 表 1 铲斗内收和外摆试验数据 项 目 第 1 次 第 2次 第 3 次 铲斗 内收时间 s 液压缸行程 2 3 3 2 3 4 2 4 3 铲 斗外摆 时间 s 3 5 5 mm 1 6 5 1 5 5 1 5 5 大腔 A1 口 7 7 7 铲斗 内收压力 M Pa 小腔 B 口 1 1 1 1 1 1 大腔 A1 口 1 5 1 5 1 6 铲斗外摆压力 MPa 小腔 B 口 8 8 8 参 考 文 献 1 史继凤 张建 F D L一1 2型液压多路换 向阀 J 煤矿机电 1 9 9 7 4 5 2 2 冀宏 液压阀芯节流槽气***噪声特性的研究 D 浙江 浙江大学 2 0 0 4 3 那成烈 三角槽节流 口面积的计算 J 兰州理工 大学学报 1 9 9 3 1 9 2 4 5 4 8 4 黄宗益 李兴华 陈明 挖掘机开中心和闭中心液压 系统 一 口 建筑机械化 2 0 0 4 2 5 6 5 3 5 5 5 冀宏 傅新 杨华勇 内流道形状对溢流阀气***噪 声影响的研究 J 机械工程学报 2 0 0 2 3 8 8 1 9 2 2 责任编辑 贺彩宏 上接第 7 9页 P P P J J J P P P 图 4 滑道承 台计算模型 也是施工过程 中的一个技术 难点 缆 索起 重机 的 整体 横 移 是 通 过 塔 架 下 部 的 滑 道 由 3 台 T CW2 5 0 B千斤顶及临时缆风的松 紧移位完成缆索 起重机由右幅移至左幅 在缆索起重机滑移 时承重索 的后锚 系统也 同 时进行滑移 为使缆索吊装系统能顺利滑移 需 将承重索放松 以减小塔架 的受力并便于后锚 系 统的转换 为保证 主塔滑移过 程 中的安全 需 要 不断调整各缆风 的张力 以保证 缆索起重机 主塔架 的垂直 缆索起 重机横移 就位后 重新调 整主索 的挠度至设计范围内 经试 吊后投入使用 7结语 东莞水道特大桥 WL q 2 X 8 0 0 k N型无线遥控缆 索起重机在设计跨径 索塔高度 设计吊重 起重 高度等方面都创造了无支架缆索吊装施工的国内之 最 通过试吊及使用情况
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