PQ10型比例压力流量复合阀的设计计算

贺 军

（包钢钢联股份有限公司钢管公司，内蒙古 包头014010）

PQ阀是通过改进阀内设计，将压力控制和流量控制有机地结合在同一阀块内，即将比例溢流阀和比例节流阀组合成一个复合阀，既可对系统压力进行比例调节，又可对输出流量进行比例控制，当然，两种参数的比例调节是在不同工况下实现的。比例溢流阀的主阀同时在复合阀中兼作三通压力补偿器，为比例节流阀进行压力补偿，从而获得较稳定的流量。它以很小的压差追踪负荷压力，控制泵压力，消耗电力小，是节能式进口节流控制流量阀，本文以PQ10-20/140-125为例进行阐述，其结构原理图如图1所示。

图1 产品结构图

1 P Q阀工作原理

如图1所示，当比例电磁铁7、14断电时，节流阀芯16在压力弹簧18的作用下处于关闭位置，没有流量流向A腔，P腔压力油全部从压力控制阀芯4的锥口处流到T腔，此时系统只有低压的溢流损失，而没有节流能耗。当系统处于调节流量工况时，分别给比例压力先导阀的电磁铁7和比例节流阀的电磁铁14输入一恒定的额定电信号，比例电磁铁14为行程控制型比例电磁铁，其工作行程比较长，对应不同的电信号，衔铁产生相应的位移，从而使节流阀芯移动产生相应的开口量，压力油通过节流口从P腔流到A腔，同时，A腔的压力油同过通道17，阻尼孔19作用在压力阀芯4的上端并经阻尼孔15、通道13、阻尼孔12分别作用在比例先导阀和安全阀的锥阀芯上。当系统压力在低于比例压力先导阀的额定压力范围变化时，比例压力先导阀芯10处于关闭状态。此时，PQ阀的比例压力阀在此工况下只起限压阀作用。压力阀芯的上下腔有效作用面积一致，假设压力阀芯有效作用面积为S，P腔压力为PP，A腔压力为PA，压力弹簧3刚度和初始压缩量分别为K、X0.在忽略摩擦力、液动力的情况下描述如下：

（PP-PA）·S＜K·X 的情况下为压力阀芯的关闭状态。

（PP-PA）·S＜K·X 或者（PP-PA）·S ＝ K·（X+X0）的状态下为压力阀芯的工作状态。一部分压力油通过压力阀芯从T腔流回油箱，该工作原理与普通的流量阀回路中设置的溢流阀的作用相同，主阀的前后压差为：

（PP-PA）＝ K·（X+X0）/S

因为X0远大于X，所以

（PP-PA）＝ K·X0/S ＝ 常数……（0.5～0.7 MPa）

因此，负载压力PA升高或降低时，压力控制阀芯的上腔压力随着上升或下降，溢流阀口随着关小或开大，系统压力PP也着上升或下降，从而保证节流阀口的前后压差基本不变，因而通过节流阀口的流量不变。而且，因为PP根据负载压力PA而决定，不会形成不必要的泵输出压力，能够把无功能量控制到最小。

当系统进入保压工况时，一方面给比例节流阀输入一个保证它有一固定阀口开度的电信号，另一方面，若在此时调节比例压力先导阀的输入电信号，就可得与之成比例的系统保压压力，在此工况，复合阀具有比例溢流阀的控制功能。

2 设计计算

2.1 设计要求

（1）图形符号

设计的机能符号如图2所示。

图2 机能符号

（2）技术参数

设计产品的技术参数如表1所列。

表1 产品性能指标[1]

2.2 几何尺寸的确定[2]

（1）安装面尺寸：参照GB8098《板式液压流量控制阀安装面》规定的16通径连接尺寸并参照国外样机选取。

（2）进出油口直径d：

式中：

Qg=公称流量，取Qg=125 L/min；

Vg=进出口油液流速，取Vg=6 m/s

代入上式得：

取d=2.3 cm.

2.3 溢流阀主阀结构尺寸

溢流阀主阀结构尺寸，如图3所示。

图3 主阀结构图

（1）相关尺寸确定如下（表2）：

表2 尺寸确定（单位cm）

（2）压力阀芯、压力阀套阀口处锥角半角α1、α2

压力阀芯锥角半角α1=46°

压力阀套阀口处锥角半角α2=43°

（3）导阀芯锥角半角α3

导阀过流面积和锥阀的接触应力大小与α2值有关。α3值小，过流面积和接触应力大。根据经验取α3=20.5°.

（4）导阀座孔径 d2、d3

与导阀芯相配合的导阀座孔径d2的大小对调压弹簧的刚度及比例电磁铁的输出力有较大影响，导阀座前端的的小孔d3主要起起适当的阻尼作用，能消除尖叫和振动。根据经验取d2=0.19 cm，d3=0.13 cm.

2.4 静态特性分析计算

（1）在最高调定压力P1maX下，主阀芯的额定开口量X10：

根据节流公式：

式中：C1=主阀阀口流量系数，取C1=0.8

Qg= 公称流量，Qg=125（L/min）

α1=主阀芯阀口处锥角半角，α1=46°

D2=主阀套孔径，D1=1.65 cm

γ=油液重度，γ=9.03×10-3N/cm3

P1max=公称压力值，P1max=14 MPa

代入式中，整理后得：

（2）卸荷时主阀芯的开口量X1x

根据节流方程：

将各值 Qg=125（L/min），α1=46°，D2=1.65（cm），[P1x]=0.4（MPa）

代入上式得：

在本次调查期间，参与口语报告检测的学生共有45名，其中学习质量相对较好、学习质量中等、学困生各15名。

L1>X1x=0.24

液压卡紧阻力Fk：

式中：f为摩擦系数，取0.08；

λk为液压卡紧系数，取λk=0.027；

ΔPAB为节流阀节流口前后压力差，取ΔPAB=0.3 MPa；

PA为节流阀节流口之后压力。

3 溢流阀主阀弹簧设计验算

忽略液动力和阀芯重力，稳态阀芯受力平衡方程为：

液压卡紧摩擦力：FK=6.8 N

ΔPPA为弹簧两端压差，ΔPPA=0.3 MPa

A3为阀芯上下腔有效作用面积mm2，A3=466 mm2；Ft为弹簧力（N）；P1′为弹簧刚度（N/mm）；x0为弹簧预压量（mm）.根据经验取 P1′=12.5 N/mm，x0=10.5 mm，其余参数见下表3.

ΔPPA·A3=Ft+FK

其中，弹簧力

表3 产品参数

流量变化率、相对流量变化率：

工况：比例节流阀全开，泵输出流量为1.15倍的阀公称流量，系统压力在工作范围内变化.

基本方程式：

令：PT=0，FK=0

将以上四式变换，使Q1成为比例溢流阀主阀口开度δT的函数，给定一个δT的值，便可求出相应的Q1、QT、PP、PA……等值。

流量变化率：

出口压力变化时相对流量变化率：

计算结果见表4.

表4 计算结果

4 结束语

随着冶金轧钢机械行业的迅猛发展，液压系统的节能技术得到了进一步提高。一种新型三通比例流量阀——比例压力流量复合阀（简称PQ阀）在冶金轧钢机械系统中得到了广泛应用。但是基本上都是进口元件，国内尚无批量生产。按照行业和市场要求开发PQ10型比例压力流量复合阀。