某新型液压集成阀的研究

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(中航工业南京机电液压工程研究中心 航空机电系统综合航空科技重点实验室, 江苏 南京　211106)

引言

目前国内液压伺服机构不是采用纯机械方式驱动，就是采用伺服阀控制马达液压方式驱动，由于纯机械方式驱动精度低，功率偏小、操作较为复杂。伺服阀控制马达方式驱动精度较高，但一般的伺服阀容易受工作介质污染等级限制，某新型液压集成阀控制马达采用集成式液压流体驱动，不仅控制精度高、重量轻，而且液压集成阀中的电磁换向阀和流量恒定阀不受工作介质污染度的影响，可靠性较高、操作方便。

针对这一特点，某系统单位要求研制该型液压集成阀，该型液压集成阀是在结合液压伺服系统集成油路的基础上，采用插装式流量恒定阀控制输出流量大小的原理，通过插装式电磁换向阀控制油路的通断实现不同种流量的输出。

1　液压集成阀组成及工作原理

液压集成阀主要由壳体、电磁换向阀、流量恒定阀、单向阀、管接头、密封圈和堵头等零部件组成，如图1示为液压集成阀的三维结构原理图。

液压集成阀服机构中液压控制系统的核心部件，分别由流量恒定阀和电磁换向阀组成1#、2#和3#组合阀，主要用于驱动液压马达转台工作，当液压马达转台转台在低速、中速和高速状态下工作需要负载流量Q1、Q2和Q3时，该液压集成阀通过自身液压闭环调节系统输出对应的流量，当液压马达转台转台液压系统负载压力和系统进油压力发生变化时，该集成阀输出的流量也不随负载压力变化而变化，始终输出恒定流量值，从而保证转台不易受到液压冲击而损害转台。

1、3、12.电磁换向阀　2.接头P1 4.单向阀　5.接头T1　6.总回油接头T0　7.总进油接头P0　8、9.堵套/堵塞　10.接头T2　11.接头P2　13～15.流量恒定阀图1　液压集成阀三维结构原理图

2　液压集成阀设计

液压集成阀的设计主要是对流量恒定阀、电磁换向阀、单向阀和壳体结构进行设计。

2.1　流量恒定阀设计

在该液压集成阀中流量恒定阀主要是输出的流量不随负载或进油压力波动而变化。流量恒定阀主要由减压阀和节流阀组成，减压阀维持节流阀进口p2和出口压力p3接近恒定，从而保证流量恒定不变，节流阀通过调整固定节流孔大小来控制流量输出。如图2所示为流量恒定阀工作原理图。从图2中可以看出减压阀阀芯左右两端压力分别为节流阀出口压力p3和进油压力p2，其两端的压差(p2-p3)产生的液压作用力与阀芯左端的弹簧力相平衡。

图2　流量恒定阀工作原理图

根据图2所示流量恒定阀工作原理图建立流量恒定阀在稳态状态下流量连续性方程：

(1) 进入流量恒定阀阀口的流量方程：

式中：qv1为流量恒定阀流量，m3/s；Cd1为流量恒定阀阀口的流量系数；W1为流量恒定阀阀口面积梯度，m；x为流量恒定阀阀口入口开口量，m；p1为流量恒定阀进口压力，MPa；p2为流量恒定阀中节流阀进口压力，MPa；ρ为油液的密度，kg/m3。

(2) 流量恒定阀中阀芯力平衡方程:

KW(x1-x2)=A(p2-p3)+Fs

式中：KW为流量恒定阀弹簧刚度，N/m；x1为流量恒定阀弹簧预压缩量，m；A为流量恒定阀阀芯有效作用面积，m2；Fs为稳态液动力，N。

(3) 流量恒定阀中节流阀阀口流量方程：

式中：qv2为节流阀阀口阀流量，m3/s；Cd2为节流阀阀口的流量系数；W2为节流阀阀口面积梯度，m；y为节流阀阀口开口量，m；p3为流量恒定阀出口压力，MPa。

由上述公式合并参数可以得出流量恒定阀流量连续性方程：

2.2　电磁换向阀设计

电磁换向阀为常闭两通两位插装式结构，在该液压集成阀中起控制油路的通断。电磁换向阀主要由电磁铁和阀体等零部件组成。电磁铁安装在阀体上，电磁铁通电后产生磁力带动衔铁向下运动，克服弹簧力推动阀芯运动，阀芯与阀体之间形成一定的开口度，如图3所示为电磁换向阀结构原理图。

图3　电磁换向阀结构原理图

根据电磁电磁换向阀结构原理建立电磁铁通电情况下推动阀芯所需要的推力和断电情况下阀芯复位所需要的弹簧力。

(1) 电磁铁通电阀芯移动所需要的推力：

Fd0>FM+FK+KX0

式中：Fd0为阀芯起动所需推力，N；FM为衔铁和推杆与阀体之间液压预紧力，N；FK为弹簧座与阀体之间液压预紧力，N；K为弹簧刚度，N/m；X0为弹簧预压量，m。

(2) 电磁铁断电阀芯复位所需弹簧力：

K(X0+X)>FM+FK+FSC

式中：X为阀芯行程，m；FSC为电磁铁剩磁力，N。

2.3　单向阀设计

在该液压集成阀中单向阀主要负责沟通高压与低压油道，保证系统安全。主要由阀体、钢球、弹簧、弹簧座和密封圈等零部件组成，通过弹簧的预紧力压紧钢球，当液流由1腔进入时，克服弹簧预紧力将钢球顶开，实现从2腔流出，反之切断油路。如图4所示为单向阀结构原理图。

图4　单向阀结构原理图

单向阀开启条件：

(p1-p2)A>Ft+G

式中：p1为腔1压力，Pa；p2为腔2压力，Pa；Ft为弹簧力，N；G为钢球重力，N；A为阀体口面积，m2。

2.4　壳体设计

壳体是电磁换向阀、流量恒定阀、单向阀、管接头、密封圈和堵头等零部件的安装平台，也是油道沟通的渠道。为减轻集成阀重量，壳体采用材料为LY12铝壳体，壳体与各种阀类均采用插装式螺纹连接方式，油路中的工艺孔处均使用某公司生产的铝堵塞和堵套。

3　试验验证

在实验室利用专用试验设备对液压集成阀性能测试，按照图5所示将产品各个接口与转接板相连，转接板用螺钉固定于试验设备安装座上。其中产品p0与试验设备进油口相连，T0口与试验设备总回油相连，转接板1和2腔与安装座负载1、2腔相连。

采用LabVIEW软件编制的集成阀测试程序进行测试。测试性能曲线如图6所示。从图6中可以看出液压集成阀输出3组不同的流量Q1、Q2和Q3，在系统压力从1～5 MPa时，阀输出的流量是随压力升高和变大，并且流量超出了各自流量的上下极限值QL和QH,当系统压力开始从6 MPa升至21 MPa时，流量处于稳定状态，并不随压力升高而变大，并且流量均未查出各自流量的上下极限值QL和QH， 符合设计要求。

图5　试验连接图

图6　测试性能曲线

4　结论

对液压集成阀中流量恒定阀、电磁换向阀和单向阀的设计，分析研究液压集成阀的性能，并在实验室对其进行性能测试，绘制性能曲线，验证液压集成阀性能满足设计要求。

液压集成阀作为一种新型的集成式控制阀，与液压马达相连比传统的伺服阀控制马达具有操作加工方便和不易受系统受污染度的影响，未来液压集成阀在伺服控制系统领域将会有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]雷天觉.新编液压工程手册 [M]. 北京：北京理工大学出版社,1998.

[2]王占林.液压伺服控制[M]. 北京：北京航空学院出版社，1987.

[3]成大先.机械设计手册(2)[M]. 北京：化学工业出版社,2006.

[4]中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册(10)[M]．北京：中国标准出版社，2000.