1、高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研1 答 辯 人：楊士東 專 業：機械工程 指導老師：姚平喜 教授 太原理工大學碩士論文答辯 Taiyuan University of Technology Masters Thesis Defense 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研究 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研2 答 辯 內 容 研究背景及意義 國內外研究動態 論文主要工作 致謝 結論與展望 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研3 一、研究背景及意義一、研究背景及意義背景背景 l液壓機是一種以液體為工作介質 來傳遞能量以實現各種加工工藝 的機器，被廣泛

2、應用于鍛壓和成 型加工。 l液壓機在保壓工序時，主工作缸 和部分液壓管路組成的高壓容腔 因油液壓縮儲存大量的能量；這 部分能量釋放過程即為卸壓過程， 卸壓是否合理直接影響著液壓機 的穩定性、可靠性、生產效率和 工件質量等。 l隨著液壓機的不斷發展，卸壓的 快速性與穩定性這對矛盾問題愈 加凸顯。 圖1 框架式液壓機 圖2 液壓機基本工序圖 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研4 一、研究背景及意義一、研究背景及意義意義意義 l本研究目的在于解決大型液壓機快速卸壓與穩定卸壓 的這一矛盾問題，實現液壓機的快速平穩卸壓，此研 究意義如下： l卸壓沖擊的減小可以提高液壓機工作時的穩定性和

3、可 靠性。 l卸壓速度的提升可以提高液壓機的工作效率和所加工 工件的質量。 l卸壓噪聲的降低可優化操作環境，有益于操作工人的 身心健康。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研5 二、國內外研究動態二、國內外研究動態卸壓方式卸壓方式 l1979年，國外已有液壓機采用閉環控制系統，使卸壓 閥的啟閉過程按正弦曲線進行，在避免卸壓沖擊的同 時提高了卸壓速度。國外對此問題的研究較早且深入， 但其研究成果很少公開。 l國內對此問題研究起步較晚，大致可分為兩個階段: (1)1973-1995年，當時對液壓機的效率要求不高，相 關研究集中于避免卸壓沖擊、減小卸壓噪聲的層次， 液壓機多采用固定節

4、流孔、組合閥、分級卸壓等卸壓 方式。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研6 二、國內外研究動態二、國內外研究動態卸壓方式卸壓方式 （2）1995年之后，對液壓機的效 率要求越來越高，液壓元件不斷 發展，電液比例閥開始被應用于 卸壓回路，該閥的開啟曲線可以 由計算機進行控制并按特定的規 律開啟，可對卸壓過程進行合理 的控制。 圖3 電液比例閥 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研7 二、國內外研究動態二、國內外研究動態卸壓規律卸壓規律 l正弦規律的卸壓曲線。 l基于油液能量均勻釋放的卸壓曲線。 l基于油液體積增量均勻釋放的卸壓 曲線。 關于卸壓曲線的研究較少，業

5、內對卸壓曲線沒有統一 的定論，以上曲線都只是定性的研究，在實際應用時需要 反復的調試和優化，確定的難度比較大。 圖4 正弦規律卸壓曲線 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研8 二、國內外研究動態二、國內外研究動態研究存在的不足研究存在的不足 l固定節流孔、組合閥、分級卸壓等方式在減小卸壓沖擊的 同時延長了卸壓時間，這些卸壓方式已不能滿足現階段對 液壓機工作效率的需求。 l目前，關于卸壓規律研究相對欠缺，且缺少定量的計算， 不能在實際生產中對卸壓過程進行有效的指導。 l新型液壓機大多采用電液比例閥卸壓，但其開啟曲線確定 較難；且該閥成本較高，對使用環境的要求也很高。 高壓容腔卸壓

6、曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研9 三、論文主要工作三、論文主要工作 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研10 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓規律研究 通過對卸壓沖擊機理分析，提出了卸壓沖擊實質 上是力的作用，產生的根本原因是油液動量的突變這 一觀點。 若卸壓時不產生沖擊的最大動量變化率為mv， 對卸壓過程中排出高壓容腔的油液動量進行合理控制， 使其以最大動量變化率為斜率隨時間線性變大，既滿 足下式： Pmv t 即可實現高壓容腔的快速穩定卸壓。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研11 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓

7、規律研究 將卸壓過程分為多個等時間段進行分析，從不產生 氣蝕和諧振的角度對卸壓閥的初始開口面積A1進行計算， 得出： 11 2 qc p c A f a 式中：f液壓管路流通面積，m2； cq流量系數，0.6； ac液壓管路中沖擊波傳播速度，m/s； 油液密度，900kg/m3； p1高壓容腔初始壓力，Pa。 通過公式推導得出任意時間段油液動量正比于容腔 壓力與卸壓閥開口面積的乘積，即： 2 2 q m vcA p dtA p 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研12 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓規律研究 計算出整個卸壓過程各參數間的迭代公式如下： 11 1

8、 1 1 1 2 n n nqnn nnn n n n pA AntA pdt QcAp VVQt BV p VV 式中：An卸壓nt時間段內卸壓閥開口面積，m2； pn卸壓nt時間段內容腔壓力，Pa； Qn卸壓nt時間段內通過閥的流量，m3/s； Vn卸壓nt時間段內容腔壓縮油液的體積，m3。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研13 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓規律研究 選取某型號液壓機基本參數，對卸壓過程進行計算。 參數/單位數值 容腔壓力/Pa3.2107 油液密度/(kgm-3)9102 管道材料彈性模量/(Nm-2)21011 容腔體積/m30.

9、2 流量系數0.6 管道內徑/mm15 油液體積彈性模量/(Nm-2)1.8109 管道壁厚/mm3 表1 某型號液壓機基本參數 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研14 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓規律研究 整理數據，得到容腔壓力、卸壓閥開口面積隨時 間的變化曲線： 圖5 容腔壓力-時間圖6 卸壓閥開口面積-時間 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研15 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓規律研究卸壓規律研究 分別取各時間段容腔壓力和卸壓閥開口面積數值， 得出： 圖7 容腔壓力-卸壓閥開口面積 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及

10、卸壓閥研16 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓閥設計卸壓閥設計 設計原則設計原則 l基于負載敏感技術，通過容腔剩 余壓力實時控制卸壓閥節流口面 積，使整個卸壓過程能自動完成。 l采用軸向間隙可變節流孔。 圖8 卸壓回路 1-液壓泵 2-溢流閥 3-電液換向閥 4-單向順序閥 5-順序閥 6-單向閥7-專用卸壓閥 8-卸壓節流閥 9-液控單向閥 10-充液閥 11-液壓缸 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研17 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓閥設計卸壓閥設計 1-閥體 2-喉塞 3-控制活塞桿 4-閥芯 5-彈簧座 6-緊 定螺栓 7-密封圈 8-擋圈 9-彈簧 10

11、-端蓋 A-進油口 B-出油口 a-控制油路 b-閥芯開口 參數/單位數值 卸壓壓力/MPa32 進出油口直徑/mm15 控制活塞桿直徑/mm4 彈簧剛度/N/mm36.5 節流口面積變化范圍/mm23.125176 圖9 卸壓節流閥結構圖 表2 卸壓節流閥參數表 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研18 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓閥設計卸壓閥設計 主閥芯設計主閥芯設計 閥芯位移與閥芯開口寬度之間的函數關系為： 閥芯的位移與閥芯開口寬度的關系曲線： 432 0.07531.08765.83512.10814.72h xxxxx 圖10 閥芯位移-開口寬度 高壓容腔卸壓

12、曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研19 三、論文主要工作三、論文主要工作卸壓閥設計卸壓閥設計 主閥芯二維圖主閥芯二維圖 圖11 主閥芯二維圖 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研20 三、論文主要工作三、論文主要工作仿真分析仿真分析 卸壓閥模型卸壓閥模型 應用AMESim進行仿真分析，節流閥通過軟件中的HCD 庫進行構建，液控單向閥則在液壓庫中直接調用。 圖12 卸壓閥仿真模型 卸壓節流閥的組成由左及右依次為：零力源、活塞腔、 特定閥芯孔的閥體、質量塊、帶彈簧的活塞腔和零力源。 參數/單位數值仿真子模型 通徑/mm15BAO21 流量系數0.6BAO21 主閥芯行程/mm

13、9.1BAO21 主閥芯質量/Kg0.2MAS004-1 控制活塞直徑/mm4BAP12 彈簧剛度/KN/mm36.5BAP016 液控單向閥開啟壓力/bar0.4CV005 表3 卸壓閥仿真模型參數 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研21 三、論文主要工作三、論文主要工作仿真分析仿真分析 卸壓系統仿真模型卸壓系統仿真模型 圖13 卸壓系統仿真模型 系統運行過程： （1）加壓階段（0-5s） （2）保壓階段(5-10s) （3）卸壓階段(10s-) 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研22 三、論文主要工作三、論文主要工作仿真分析仿真分析 仿真結果仿真結果 圖

14、14 容腔壓力-時間圖15 閥芯開口面積-時間 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研23 三、論文主要工作三、論文主要工作仿真分析仿真分析 理論計算與仿真結果對比分析理論計算與仿真結果對比分析 l理論計算時忽略了容腔的彈 性變形、卸壓閥內部的摩擦 力。 l在對閥芯開口曲線擬合時存 在一定誤差。 l在卸壓最后階段，容腔內油 壓很低，油液的流量和流速 都很小。 整個卸壓過程所需時間分別為0.95s、1s，原因如下： 圖16 理論與仿真曲線對比 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研24 三、論文主要工作三、論文主要工作仿真分析仿真分析 結果分析結果分析 l應用此卸壓閥

15、的卸壓回路可以使卸壓過程按計算的卸壓 規律快速平穩進行。 l仿真結果驗證了基于控制油液動量變化的卸壓規律的合 理性。 l仿真結果證明了卸壓閥設計思路的可行性。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研25 四、結論與展望四、結論與展望結論結論 l基于控制油液動量變化的卸壓規律能實現高壓容腔的快 速平穩卸壓，能滿足液壓機卸壓時對快速性和穩定性的 需求。 l應用此卸壓規律設計的卸壓閥能對卸壓過程進行有效控 制，使其按所計算的卸壓規律進行；同時該閥較電液比 例閥有結構簡單、成本低、對使用環境要求低等優點。 高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研高壓容腔卸壓曲線及卸壓閥研26 四、結論與展望四、結論與展望展望展望 l本研究還局限在理論層面，沒有對