液压阻尼回路在《液压传动》教学中的应用探讨

刘成强， 姜继海， 罗念宁， 陈 跃， 张 磊

(1.徐州工程学院机电工程学院， 江苏徐州 221018； 2.哈尔滨工业大学机电工程学院， 黑龙江哈尔滨 150001)

引言

液压传动具有功率密度比大、动态响应快、布局安装灵活等优点，因而被广泛应用于各行各业，尤其是重型机械、行走机械等领域。液压技术水平的高低是一个国家工业发展水平的标志。液压传动课程在机械类人才的培养中具有举足轻重的地位，是工科类学生的必修课程。针对如何培养学生学习能力、创新能力和实践能力，为国家建设和发展输送高水平的液压技术人才，众多高等教育工作者对此进行了广泛的研究和探索[1-4]。课程思政是落实高校立德树人根本任务的重要途径，也是新时代发展对专业课程教学就德才兼备型应用人才培养目标提出的明确要求，沈伟等[5]、路珍等[6]研究了课程思政元素如何融入液压传动教学。针对新冠疫情线上教学背景，周明峰等[7]对液压传动线上教学改革进行了研究。液压传动课程需要培养学生的实践能力，实验教学过程也是重要的培养方法，陈敏捷等[8]、刘爱军等[9]、孙月华等[10]研究了实验教学方面的改革与创新。

1973年西德阿亨工业大学液压与气动研究所巴克教授出版了著作《阀与调节回路中液压阻力回路系统学》，经太原工学院周文翻译为《液压阻尼回路系统学》。该书从基本的单元阻力回路出发，研究了阻力调节与控制的共性，运用阻力回路基本原理来分析液压传动中的液压阀与液压回路，反映液压传动的基本工作原理，“与阀、系统的多样性无关”[11]。液压元件结构形式众多，同一种元件也有不同的结构形式，通过阻尼回路来描述液压元件和系统具有统一性，即相同工作原理的液压元件或液压系统可以有各种具体的机构形式，阻尼回路是唯一的，可以避免学生学习时“纷繁复杂”的感觉，是采用国标符号教学的有益补充。针对目前液压传动课程教学中很少有介绍液压阻尼回路方面知识的不足，本研究对液压阻尼回路在液压传动课程液压阀及典型回路教学中的应用进行了论述。

1 典型液压阀的阻尼回路

1.1 单向阀

液压单向阀在液压回路中可以控制液压油的单向流动，比如：安装在液压泵的出口，避免液压油的倒流；安装在管路中，避免负载反向运动；2个单向对置安装可以构成梭阀；单向阀与其他功能的阀并联构成组合阀；安装在回油管理中起到背压作用，单向阀的阻尼回路如图1所示。

图1 单向阀阻尼回路Fig.1 Damping circuit of check valve

单向阀阀芯的受力平衡方程为：

pA=Kx0

(1)

式中，p为单向阀入口压力；A为单向阀阀芯的受压面积；K为单向阀的弹簧刚度；x0为弹簧的预压缩量。

单向阀的弹簧预压缩量较小，因此开启压力较低。端口2压力高于端口1的压力时，弹簧力和端口2的压力合力使阀口关闭。

液压执行元件一般为双向运动，即管路中的液压油一般是2个方向都可以运动的，因此需要双向运动的管路中可以安装液控单向阀，即增加了控制口C，通过控制口C连接控制油，实现单向阀阀口在外部控制油的作用下开启。液控单向阀的阻尼回路如图2所示。

图2 液控单向阀阻尼回路Fig.2 Damping circuit of hydraulic controlled check Valve

液控单向阀阀芯的受力平衡方程为：

pA1=Kx0或pcA2=Kx0

(2)

如果液压执行元件2个方向都需要在可控的情况下双向流动，2个液控单向阀并联，即构成双向液压锁，双向液压锁阻尼回路如图3所示。P口的压力作用在单向阀1的阀芯上，使P口到1口的油路联通，同时P口的压力作用在单向阀2的阀芯上，使2口到T口的油路连通。控制口没有压力时，在弹簧力和负载口1，2的压力作用下，阀口处于关闭状态，实现锁止功能。

图3 双向液压锁阻尼回路Fig.3 Damping circuit of bidirectional hydraulic lock

1.2 溢流阀

溢流阀用来控制入口的压力，直动式溢流阀的阻尼回路如图1所示，即直动溢流阀的阻尼回路与单向阀的阻尼回路是一样的，单向阀在系统中可以起背压作用，工作原理等效于溢流阀。

顺序阀阻尼回路原理也如图1所示，控制信号是入口的压力信号，当压力大于弹簧设定值时，阻尼开启，实现油路联通，顺序阀与溢流阀的区别在于应用目的不一样，顺序阀出口2连接液压执行元件，溢流阀出口2连接油箱。

由式(1)可以看出，如果系统压力很大，液压压力对阀芯产生的作用力很大，这时弹簧的结构尺寸很大，可以采用压力差与弹簧力相平衡的方式，阀芯受到的液压力合力减小，弹簧尺寸得到减小。差压式直动溢流阀如图4所示，差式直动溢流阀增加了1个控制口，可以减小弹簧的大小，也可实现入口压力自动跟随负载的变化，实现溢流压力比控制口压力高恒定的值。

差压式直动溢流阀的阀芯的平衡方程方程为：

pA1-pcA2=Kx0

(3)

先导式溢流阀的阻尼回路原理图如图5所示。可以看出主阀芯3为差压式直动溢流阀，压力差由阻尼孔1产生，先导溢流阀2阀芯测压面积很小，所以液压产生的压力小，减小了弹簧的尺寸，先导阀2是结构尺寸很小的直动式溢流阀。

图5中先导溢流阀开启后的压力关系为：

p2A3=K2x20

(4)

主溢流阀阀芯3的受力平衡为：

p1A1-p2A2=K1x10

(5)

由式(5)可以看出，主溢流阀阀芯3与阻尼孔1前后的压力差(p1-p2)相平衡，(p1-p2)的值较小，因此主溢流阀3的弹簧结构尺寸可以较小。先导溢流阀2的开启压力为p2，主溢流阀的入口压力为p1，压力受流过固定阻尼1的流量影响，这种形式的先导溢流阀在没有开启时没有液压油流过阻尼孔1，根据帕斯卡静压原理，此时p1等于p2。当先导溢流阀2开启后，先导溢流阀调定的压力p2与入口压力p1存在压力差，为减小此偏差，可以调整先导溢流阀2的测压点位置，调整后的阻尼回路如图6所示。

图6 测压点在前先导式溢流阀阻尼回路Fig.6 Damping circuit of pilot relief valve withpressure measuring pointin front

此时先导溢流阀阀芯开启压力关系为：

p1A3=K2x20

(6)

1.3 减压阀

减压阀用来实现控制出口的压力低于入口压力的减压，原理是利用液压油的流动产生液阻，直动式两通减压阀的阻尼回路如图7所示。阻尼孔是常开式的，即在弹簧力的作用下阀口是常开的。反馈测压点是检查B端口的压力，如果B端口压力大于弹簧力，阀口过流面积开始减小，直到最小为0。此时如果存在负负载，即B端口的压力主动继续升高，相当于B端口是压力源，此时由于阻尼口完全关闭，此时B端口的压力会继续升高，破坏B端口液压元件。

图7 直动式两通减压阀阻尼回路Fig.7 Damping circuit of direct acting pressure reducing valve

为减小直动式减压阀弹簧的参数，减压阀的阀芯可以做成差动式，如图8所示。

图8 定差减压阀阻尼回路Fig.8 Damping circuit of differential pressure reducing valve

定差减压阀阀芯的受力平衡方程为：

Kx0=p1A2-p2A1

(7)

为解决直动式两通减压阀B端在外负载作用下压力继续升高的问题，可以采用直动式三通减压阀，如图9所示。阻尼1和阻尼2机械关联，B端压力超过限定值之后，B端与液压油箱相连，可以避免压力继续升高，此时相当于增加了一个自由度，类似于负载口独立控制技术。

图9 直动式三通减压阀阻尼回路Fig.9 Damping circuit of direct acting three-way pressure reducing valve

与先导式溢流阀原理类似，先导式减压阀的阻尼回路如图10所示。

图10 测压点在后先导减压阀阻尼回路Fig.10 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring point behind

先导溢流阀阀芯受力平衡方程为：

p2A2=K2x0

(8)

主减压阀1阀芯受力平衡方程为：

(pB-p2)A1=K1x10

(9)

阻尼2的大小是固定的，阻尼2的压力差与流量、流体的黏度有关。当阻尼2没有流量时，p2和pB压力相等，当阻尼1有液压油流过时，阻尼1有压力差，此时弹簧K2设置的压力等于p2，小于减压阀的出口压力pB，存在调压偏差，阀前测压先导减压阀的阻尼回路如图11所示。

图11 测压点在前先导减压阀阻尼回路Fig.11 Damping circuit of pilot pressure reducing valve with pressure measuring pointin front

固定阻尼2的入口压力为pB，出口压力为p2，先导阀弹簧K2调定的压力为：

pBA1=K2x0

(10)

当阻尼2的压力差大于弹簧K2设置的压力时，减压阀主阀口1面积减小，实现减压。可以看出减压阀以出口压力位检测目标构成闭环控制，先导阀弹簧K2设定的压力即为减压阀的出口压力。

2 典型调速系统的阻尼回路

对液压执行元件进行速度控制是液压传动系统的重要功能。液压执行元件的速度由流入液压执行元件的流量决定，根据系统提供的流量是否可变可分为恒流量系统和变流量系统。恒流量系统中液压执行元件的调速通过分流实现。变流量系统中提供的总流量可以调节，可以实现分流控制与容积控制的结合。多个液压执行元件复合动作时需要不同液压执行元件之间通过压力补偿进行流量分配。

2.1 定量泵系统的调速阻尼回路

恒流量系统单液压执行元件的调速回路如图12所示，此时泵的出口压力恒定，输出流量恒定，液压执行元件的速度由节流阀2或节流阀3调整。

图12 定量泵单执行元件调速回路Fig.12 Speed regulating circuit of quantitative pump with single actuator

根据流量守恒得到方程：

qp=q1+q2

(11)

根据压力平衡得到方程：

pp=pL+Δp

(12)

流经节流阀2的流量为：

(13)

为保证节流阀的压力差恒定，可以采用调速阀。调速阀的阻尼回路原理图如图13所示，节流口2前设置定差减压阀1，保证节流口2的压力差恒定。如果压力差大于设定值，减压阀1减小开口，减压作用增大；如果压力差小于设定值，减压阀1节流口面积增大，减压作用减小。减压阀1全部打开后，失去调控作用。

图13 阀前补偿调速阀阻尼回路Fig.13 Damping circuit of flow control valve with compensator in front

压力补偿器也可安装在节流阀后面，即阀后补偿。阻尼回路如图14所示。

图14 阀后补偿调速阀阻尼回路Fig.14 Damping circuit of flow control valve with compensator behind

压力补偿器和节流阀可以是并联式的，即构成三通流量阀，如图15所示。三通流量阀2采用分流原理实现速度控制，入口压力可以跟随负载进行调整，即构成负载敏感系统(Load Sensing System，LSS)[12-13]。

图15 三通流量阀阻尼回路Fig.15 Damping circuit of three way flow control valve

由三通流量阀构成的定量泵负载敏感系统如图16所示。

图16 定量泵LS系统阻尼回路Fig.16 Damping circuit of quantitative pump LSS

泵的出口压力为：

pp=pL+Δp

(14)

其中节流口1的压力差Δp为：

(15)

由图16可以看出泵的出口压力跟随负载变化，仅比负载大恒定的值Δp，该值由三通流量阀2的弹簧调定。由于降低了系统的压力裕度，系统压力跟随负载压力变化，可以实现泵站总功率的降低，同时节流阀1的压力差保持恒定，实现了对执行元件速度的线性控制。

定量泵控制2个液压执行元件的LS系统阻尼回路如图17所示。

图17 定量泵负载敏感系统Fig.17 Load sensing system with quantitative pump

2.2 负载敏感泵LS系统阻尼回路

定量泵LS系统中由于泵提供的流量是恒定的，流量多于液压执行元件需求的流量，存在溢流损失，因此采用变量泵的LS系统可以进一步提高系统效率，系统原理如图18所示。通过变量泵的变量实现流量按需供给，没有多余的流量，没有溢流损失，提高了系统效率。

图18 负载敏感泵LS系统阻尼回路Fig.18 Damping circuit of LS system with LS pump

2.3 LUDV系统阻尼回路

图18所示的系统为阀前补偿负载敏感系统，即压力补偿器在节流阀前面。当系统需求的流量超过液压泵提高的最大流量时，此时节流阀的压力差降低，压力补偿器开口面积最大，失去调整作用，此时流量全部流向低压负载，高压负载停止动作，失去复合动作功能。为解决流量饱和时负载之间的流量分配问题，可采用阀后补偿负载敏感系统，即LUDV系统。LUDV是德语Lastdruck Unabhängige Durchfluss Verteilung的缩写，译为负载独立流量分配，或与负载无关流量分配。与LS系统的不同之处是压补偿阀在节流阀后，同时压力补偿阀的反馈压力是负载的最大压力[14-16]，LUDV系统原理如图19所示。

LUDV系统的流量守恒方程为：

qp=q1+q2

(16)

压力回路方程为：

pp=pL1+Δpv1+Δpc1=pL2+Δpv2+Δpc2

(17)

压力补偿器1阀芯的受力平衡方程为：

Kx1=(pv1-pLS)A=(pp-Δpv1-pLS)A

(18)

压力补偿器2阀芯的平衡方程为：

Kx2=(pv2-pLS)A=(pp-Δpv2-pLS)A

(19)

对式(19)和式(18)求比值得到：

(20)

式中,x1，x2为压力补偿器阀芯的位移；Δpv1，Δpv2为主节流阀的压力差，c为pp-pLS，假定在流量饱和时2个主节流阀的给定面积相等，支路1的负载小于支路2的负载，假设此时轻载支路的流量大，Δpv1大于Δpv2，可以得到x1小于x2，即补偿器1的面积过流面积小于补偿器2的过流面积，实现低压压力补偿作用大于高压侧压力补偿作用，避免流量全部流向轻载荷侧，避免流量饱和时重负载支路停止运动，有利于保证多执行元件的复合动作。

3 结论

本研究探讨了液压阻尼回路在液压传动教学中的应用，结论如下：

(1) 由溢流阀和减压阀的阻尼回路原理图可以看出都是采用压力反馈控制原理，减压阀的测压点在后，溢流阀的测压点在前，减压阀的阻尼口常开，溢流阀的阻尼口常闭。带弹簧的单向阀与直动溢流阀、顺序阀的阻尼回路相同；

(2) 通过阻尼回路理论可以清晰的分析液压传动中的开环控制与闭环控制，即有的元件或系统是开环控制，有的是闭环控制，而且闭环控制还存在反馈检查点位置的差异；

(3) 液压元件结构复杂，工作原理相同的元件可以有不同的具体机械结构形式，国标液压符号是唯一的，液压阻尼回路也是唯一的，用阻尼回路来描述和分析工作原理更详细，能反应液压元件或液压系统的细节，更容易使学生理解和学习液压元件和系统的工作机理。阻尼回路教学方法是采用国标液压符号教学方法的有益补充；

(4) 通过阻尼回路介绍了液压系统中调速回路的演化过程，定量定压调速系统效率低，负载敏感系统可以实现压力跟随，减小能量损失；

(5) 目前行走机械中广泛采用的LS系统和LUDV系统，通过LS和LUDV系统的阻尼回路可以看出压力补偿器的位置不同，LS系统压力补偿器在前，LUDV系统压力补偿器在后；

(6) 负载口独立(阀口独立)技术也是研究的热点，目前尚未写入液压传动教材中，基于阻尼回路可以很容易的将负载口独立技术引入到液压传动的教学中。