新型液压平衡阀性能概述

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摘要：介绍了某新型液压平衡阀工作原理，用功率键合图法建立了该阀的动态模型，并转换为状态方程，用Matlab对液压平衡阀动态特性进行了数字仿真，研究了该平衡阀主要结构参数对其动态性能的影响，所得出的结论可指导产品的工程设计。

关键词：平衡阀；键合图；液压系统；仿真中图分类号
    液压平衡阀能随时建立与变化负载相平衡的背压，能实现液压油缸或液压马达在负载作用下运动限速、闭锁，也能防止因油管破裂或制动失灵而使重物自由下落造成事故，因此应用十分广泛［1］。国外典型产品有日本生产的BLG型平衡阀、德国生产的FD型平衡阀等。国内产品大多是20世纪七八十年代仿国外制造的，普遍存在低频抖动、控制压力偏高、工作平稳性差、结构较复杂等问题，不能满足大吨位工程机械的性能要求。国内有关院校和研究单位对平衡阀进行过理论和试验研究，但一直未能研制出理想的平衡阀产品。本课题研究的新型液压平衡阀是在参考了国内外各种平衡阀结构、应用特点的基础上，为适应目前国内大吨位起重机双缸变幅系统的需要而提出来的，有重要工程实用价值。图1平衡阀工作原理示意图新型液压平衡阀工作原理如图1所示，新型液压平衡阀由主阀、控制阀及两个保持阀构成，主阀（单向阀）和控制阀同轴布置，处于平衡阀阀体的中心线上，而两个保持阀相对于主阀芯和控制阀芯的中心线呈对称分布［2］。主阀采用锥面密封，大大提高了密封性；保持阀阀芯、主阀阀芯、控制阀阀芯上开设阻尼孔，改善了平衡阀的运动稳定性；控制阀芯增加一个刚度系数较小的弹簧保证控制阀芯能快速回位。负载下降时，一部分液压油被泵入油缸的上腔（有杆腔），另一部分液压油作为控制油，推动控制阀阀芯移动，油缸下腔（无杆腔）的液压回油则经保持阀、主阀流回油箱，负载下降。当重物超速下降时，造成油缸上腔供油不足，压力降低，使得控制阀阀芯左端的油压降低，在弹簧力的作用下，主阀阀芯左移，主阀阀芯与阀体之间的节流面积减小，回油阻力加大，负载下降速度变慢，后主阀阀芯、控制阀阀芯和控制压力之间达到了一种动态平衡，重物不至液压平衡阀能随时建立与变化负载相平衡的背压，能实现液压油缸或液压马达在负载作用下运动限速、闭锁，也能防止因油管破裂或制动失灵而使重物自由下落造成事故，因此应用十分广泛

有重要工程平衡阀工作原理示意图

新型液压平衡阀工作原理
如图1所示，新型液压平衡阀由主阀、控制阀及两个保持阀构成，主阀（单向阀）和控制阀同轴布置，处于平衡阀阀体的中心线上，而两个保持阀相对于主阀芯和控制阀芯的中心线呈对称分布［2］。主阀
采用锥面密封，大大提高了密封性；保持阀阀芯、主阀阀芯、控制阀阀芯上开设阻尼孔，改善了平衡阀的运动稳定性；控制阀芯增加一个刚度系数较小的弹簧保证控制阀芯能快速回位。负载下降时，一部分液压油被泵入油缸的上腔（有杆腔），另一部分液压油作为控制油，推动控制阀阀芯移动，油缸下腔（无杆腔）的液压回油则经保持阀、主阀流回油箱，负载下降。当重物超速下降时，造成油缸上腔供油不足，压力降低，使得控制阀阀芯左端的油压降低，在弹簧力的作用下，主阀阀芯左移，主阀阀芯与阀体之间的节流面积减小，回油阻力加大，负载下降速度变慢，后主阀阀芯、控制阀阀芯和控制压力之间达到了一种动态平衡，重物不至于失速，保证了载荷平缓下降。负载上升时，液压油顶开主阀阀芯，经保持阀到液压油缸下腔，推动油缸活塞上移，油缸上腔回油，实现载荷举升。

新型液压平衡阀动态建模键合图法基本原理
功率键合图是在20世纪60年代末和70年代初发展起来的一种动力学新方法［3!5］，这种方法能以
统一的方式处理多种能量形式并存的工程系统，图形描述与数学描述的统一性及系统状态方程建立的格式化方式，使其在各类系统动态建模中得到了广泛应用。功率键合图定义了4个广义变量（势变量

11）控制阀前腔液阻R2、
油缸活塞与缸壁之间的摩擦阻尼系数R4，保持阀前腔液阻R11、可变阻尼系数R12、保持阀阀芯与阀体之间的摩擦阻尼系数R18、保持阀后腔液阻R23；主阀进油腔液阻R26、可变阻尼系数R34、主阀后腔液阻R30、控制阀旁腔液阻R37、主阀阀芯与阀体之间的摩擦阻尼系数R42。其中：稳态时间为0.1906s，这些性能指标反映了新型液压平衡阀响应快速、动态过程持续时间短、系统响应过程较平稳。图4!图8为油缸活塞杆运动速度随新型液压平衡阀部分结构参数变化的仿真曲线。图4、6、7表明随着控制阀阀芯中腔阻尼孔直径、主阀节流口面积梯度、主阀弹簧刚度的增大，活塞杆速度的变化增大，上升时间变化不大、峰值时间减小，响应加快，但超调量增大，平稳性降低；图5表明保持阀前腔阀芯的直径变化对油缸活塞杆的动态性能影响不大；图8表明随着负载质量增大，活塞杆响应速度的上升时间变化不大，峰值时间增大，超调量增大，动态稳定性降低。

4结论
键合图理论以状态方程作为数模形式，可以方便地进行程序化建模与计算机仿真，建模过程中选取的状态变量正是系统要求的部分物理量（如油缸活塞杆的运动速度）。仿真结果反映了新型液压平衡阀动态响应快、超调量较小，平稳性好。大量的仿真试验表明，随着控制阀阻尼孔直径、主阀节流口面积梯度、主阀弹簧刚度的增加，平衡阀的动态响应加快，平稳性降低。以上结论对平衡阀的产品设计提供了理论依据。如还想了解更多平衡阀资料，请点击91视频看看簧色查看。

参考文献：
［1PederPedersen.strategiesforstabilizationofflowControlsystemwithCounterbalancevalsves［M］.fluidPowernetInternational，2000.

［2］蒋波.新型组合式平衡阀动、静态特性计算机仿真与产品研制［D］.长沙交通学院，1999.

［3］王中双.键合图理论及其在系统动力学中的应用［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000.［4］布伦德尔.键合图在工程建模中的应用［M］.上海：上海科学技术文献出版社，1990.

［5］潘亚东.键合图概论—一种系统动力学方法［M］.重庆：重庆大学出版社，1990.

［6］贺尚红，钟掘.管道流体的瞬态仿真模型［J］.中南工业大学学报，2000（4）.

［7］陈桂明，张明照.应用MATLAb建模与仿真［M］.北京：科学出版社，2001