油温对定量泵溢流阀系统压力影响的试验研究

李忠山，范久臣，马宇姝

(北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021)

0 前言

油温对液压系统和元件的各项性能有很大的影响［1］。油温过高，液压油的黏度降低，会出现油膜强度下降、系统泄漏增加、元件磨损加剧、缩短元件寿命等故障［2－3］。即使油液温度在液压油允许的范围内变化也会对系统的压力产生影响，在进行溢流阀启闭特性实验中，常常因为油液温度升高而使系统压力升不到原来调定的压力。为了研究油温变化对定量泵溢流阀系统的系统压力的影响，对QCS003实验台进行改动后进行了试验，试验回路如图1所示。

图1 试验回路

1 试验过程［4］

实验一:关闭节流阀4，旋松溢流阀3的调压手柄，启动液压泵1，调节溢流阀3～7 MPa(压力表2)，打开换向阀5，把压力表6的开关打开检测溢流阀7的入口处压力，调节溢流阀7使压力调定在5 MPa，观察温度表，当油液温度为20℃时关闭溢流阀3，把溢流阀7重新调定在5 MPa并锁紧调压手柄。每隔5℃记录一组流量值、系统压力ps(压力表6)和背压值p1(压力表8)，检测温度范围为20℃～65℃。

实验二:考虑到溢流阀7的出口与换向阀9和流量计10相接，会使溢流阀7的出口处产生较大的背压，为了对比溢流阀出口有背压和无背压两种情况，将溢流阀7出口与油箱直接相通，重复试验一，测得系统压力p2(压力表6)。

实验三:为分析流量变化对系统压力的影响，实验测试在调定压力为5 MPa，油温为40℃时溢流阀7的压力流量特性曲线。

2 试验数据整理和分析

2.1 实验数据的整理

为了分析试验数据，把试验数据整理成以下曲线。图2是系统压力随油液温度变化的曲线，其中ps曲线是溢流阀7的出口接换向阀9和流量计10的情况下测得的，p2曲线是溢流阀7的出口直接接油箱时测得的;图3是溢流阀出口背压随油液温度变化的曲线;图4是流过溢流阀的流量随油液温度变化曲线;图5是溢流阀7在油液温度为40℃，调定压力为5 MPa状态下的闭合曲线。

图2 系统压力随油液温度变化曲线

图3 溢流阀出口背压变化曲线

图4 溢流阀的流量随油液温度变化曲线

图5 溢流阀闭合特性曲线

2.2 实验数据分析

根据图2中ps的曲线可看出，随着油液温度的升高系统压力会下降。到65℃时降低到20℃时调定压力的94%左右。通过对测得的曲线分析，系统压力降低的原因主要有3个方面:

(1)溢流阀出口背压变化的影响。通过图2中的两条曲线对比，可以看出，溢流阀的出口背压会影响系统的压力，当溢流阀出口直接接油箱(背压接近为零)时，系统的压力受油液温度变化的影响变小，65℃时的系统压力是20℃时系统压力的96%，少变化了2%。这是因为溢流阀的出口背压随着油液温度的变化而发生了改变，如图3所示。由于溢流阀的先导阀出口接到主阀的出口，溢流阀的出口背压作用到先导阀的阀芯上，则先导阀阀芯的受力平衡方程为:

即溢流阀的调定压力p是由弹簧力Fs、阀芯重力Fg、稳态液动力Fy、摩擦力Ff以及出口背压p1产生的力p1A之和决定的，随着油液温度升高，油液黏度减小，p1降低［5］，从而使先导阀的调定压力p降低，进而使系统压力降低。由于背压p1是直接作用在先导阀阀芯上，其对系统压力的影响，在数值上就等于p1的变化量，这从图3的曲线上可以看出，本次试验中背压p1减小了0.1 MPa，占系统压力5 MPa的2%，图2中的两条曲线相比较也相差2%(65℃时p2比ps少变化0.1 MPa)。

(2)通过溢流阀的流量变化的影响。在忽略支路泄漏的情况下，流过溢流阀的流量就是定量泵的输出流量。在一定工作压力、一定工作转速下，泵的容积效率随工作油温的升高而降低［6］，从图4来看，定量泵的输出流量随着油液温度的升高而减少，65℃时减少到20℃时的94%左右。根据图5可知，通过溢流阀流量减小会使溢流阀的系统压力降低。图4显示出油液温度从20℃升到65℃，使泵的流量减少了6%，结合图5看，这部分流量变化引起系统压力变化的量很小，约为系统压力的0.5%以下。

(3)溢流阀主阀阀口压降变化的影响。根据溢流阀的结构，主阀芯上的阻尼孔和先导阀组成的油路与主阀阀口属于并联关系［7］，所以主阀阀口的压降Δp和先导阀支路压降相等，系统的压力等于主阀阀口压降Δp和溢流阀出口背压p1之和。

由通过主阀阀口的流量公式［7］

式中:Cd为流量系数;

A0为阀口通流面积;

Δp为阀口压降。

由式(3)可知，阀口的压降Δp随着流量系数Cd的增大而减小。而阀口的流量系数Cd和阀口流动的雷诺数Re有关，

式中:v为阀口平均流速;

ν为液体的运动黏度;

Dh为阀口的水力直径。

由于油液温度的升高，油液的运动黏度ν减小，使阀口油液流动的雷诺数增大。而阀口的流量系数Cd是随着雷诺数Re的增大而增大［8］，进而使主阀阀口的压降Δp减小。由于锥阀阀口流量系数Cd随着雷诺数Re变化的变化规律是［7］:随着雷诺数Re的增大，流量系数Cd增大的速度逐渐变得缓慢。也就是随着油液温度的升高，压降Δp的变化幅度变小。p2曲线显示出随油液温度升高，系统压力的变化逐渐变缓。

同一个系统在不同的调定压力下，由于阀口通流面积A0的不同，Δp变化的数值会不同，通过测试也符合图2中p2曲线的变化规律(经过测试，溢流阀出口直接接油箱时，系统压力在20℃时调定4 MPa，到50℃时，系统压力降低了0.15 MPa，降低了调定压力的3.75%)。

3 结论

试验结果表明，定量泵溢流阀系统的系统压力随着油液温度的升高而降低，主要是由于随着油液温度的升高油液的黏度减小。油液的黏度减小，一方面使溢流阀回油管路的沿程损失和局部损失降低，这部分变化作用在溢流阀的先导阀阀芯上，相当于旋松了溢流阀的调压手柄，其对系统压力的影响，在数值上就等于溢流阀出口背压的变化量。如果重视不够，对系统的定压精度会有很大的影响;另一方面，使定量泵的容积效率下降，使通过溢流阀的流量减少，引起系统压力降低。这是由定量泵和溢流阀的性能决定的，正常情况下对系统压力影响较小;第三方面，使溢流阀阀口的流量系数增大，阀口流过相同流量的油液所产生的压降减小。减小油液温度变化对系统压力影响的办法主要是控制油液温度的变化范围并使系统油温在50℃以上工作、减小溢流阀出口背压、使用黏温特性好的油液。

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