带螺纹插装式溢流阀的液压马达特性及试验研究

汤何胜¹，訚耀保¹，杜广杰²

(1. 同济大学 机械与能源工程学院，上海，200092；

2. 杭州力龙液压股份有限公司，浙江 杭州，310027)

摘要：为了减小液压马达工作过程中的系统压力冲击，设计出具有压力缓冲功能的螺纹插装式溢流阀，建立带螺纹插装式溢流阀的液压马达数学模型，分析溢流阀芯锥度、液阻直径、敏感腔体积、弹簧刚度等结构参数对马达特性的影响，取得减小液压马达压力冲击的方法。采用250 kW液压马达综合性能试验台进行马达压力缓冲特性和压力切断特性试验，理论结果与试验结果的比较分析表明：溢流阀节流孔直径和弹簧刚度是影响马达特性的主要参数，敏感腔体积变化的影响较小；实际工况下某型马达缓冲压力和切断压力分别为11.0 MPa和34.8 MPa，缓冲压力时间为2 s。

关键词：插装阀；马达；压力溢流阀；缓冲机构

中图分类号：TH137.5            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)01-0077-07

Experimental study on characteristics of hydraulic motor with a threaded cartridge pressure relief valve

TANG Hesheng¹, YIN Yaobao¹, DU Guangjie²

(1. College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. Hangzhou Linon Hydraulic Com. Ltd., Hangzhou 310027, China)

Abstract: For cutting down pressure shock of hydraulic system in the process of motor driving, a pressure buffer capacity thread cartridge relief valve was designed. The mathematical model of hydraulic motor with threaded cartridge relief valve was established. The influence parameters, such as conical degree of main poppet, diameter of orifice, sensitive chamber volume, spring stiffness, were investigated through simulation. The pressure buffer and pressure cut-off characteristic tests were carried out on the 250 kW hydraulic comprehensive test-fig to test motor performance. The simulation and test results are compared and analyzed, which shows that sensitive chamber volume has a little effect on motor performance, while diameter of orifice and spring stiffness has great effect. The practical buffer pressure of motor, buffer pressure time and shut pressure of motor are respectively 11.0 MPa, 2 s and 34.8 MPa.

Key words: cartridge valve; motor; pressure relief valve; buffer machine

液压马达具有无级调速、易于控制等优点, 广泛应用于挖掘机等工程机械的传动装置。液压马达是挖掘机行走液压系统的关键部件，其传动稳定性直接影响驱动性能^[1-2]。挖掘机为适应路面状况剧烈变化、起步、停止以及爬坡等工况，换向操纵频繁，主要依靠液压马达内部的螺纹插装式溢流阀吸收系统压力冲击，实现马达启制动过程平稳工作。复杂工况下挖掘机液压系统压力冲击急剧变化，影响马达工作效率和可靠性，溢流阀的启闭性能是影响液压马达工作稳定性的主要因素^[3-4]。Ellman等^[5-6]设计了一种高响应电磁式二通插装阀，通过动静态特性以及流量非线性的理论分析，提高阀控马达系统的控制精度。于振良等^[7-8]利用先导差动式螺纹插装溢流阀的良好启闭特性和控制精度，调节液压马达的系统压力，提高液压马达的工作效率。贺小峰等^[9-12]分析高压引流和二级节流新型结构的先导式纯水溢流阀的数学模型以及结构参数对溢流阀动态特性的影响，通过设置先导阀尾端阻尼腔以及阀口的节流孔来提高溢流阀的工作性能和使用寿命。冀宏等^[13-14]围绕溢流阀气穴问题开展研究，提出利用压电晶体执行器作为先导阀控制溢流阀芯运动的新方法，提高溢流阀的响应性。为了克服马达受系统压力冲击的影响，本文作者介绍一种具有压力缓冲功能的螺纹插装式溢流阀，分析带螺纹插装式溢流阀的液压马达压力缓冲和压力切断特性。

1  结构及工作原理

1.1  所研制的溢流阀结构

图1所示为螺纹插装式溢流阀结构图。与直动式溢流阀相比，结构较复杂，包括阀体1、衬套2、阀芯3、阀套4、小弹簧座5、缓冲活塞6、弹簧7、大弹簧座8、锁紧螺母9、调节螺钉10以及调节螺母11。其中，阀套与阀体之间设置缓冲活塞，用于缓解压力冲击。当溢流阀的A口接通高压油时，油液经过节流孔到达溢流阀芯3的活塞腔，溢流阀芯两端产生压力差，溢流阀芯向右移动，A口向B口进行泄油，缓冲活塞6向左移动，直至缓冲活塞腔充满高压油，溢流阀芯3关闭，实现压力缓冲功能；当系统压力继续增时，由于溢流阀芯两端的面积差，导致溢流阀芯再次打开，A口向B口进行泄油，实现压力切断功能。

图1  螺纹插装式溢流阀结构图

Fig. 1  Structure diagram of threaded cartridge relief valve

1.2  液压马达工作原理

图2所示为带螺纹插装式溢流阀的液压马达工作原理图。初始状态时，螺纹插装式溢流阀2处于关闭状态。当液压泵3接通液压马达1和溢流阀2时，系统启动时存在压力冲击，A口的高压油经过溢流阀的节流孔进入活塞腔，由于溢流阀芯两端产生压力差，溢流阀芯开启，A口向B口泄油，且高压油经过阀套上的节流孔，推动缓冲活塞，直至缓冲活塞油腔充满油液，溢流阀芯关闭，实现压力缓冲功能，减少系统压力冲击对液压马达的影响。当系统压力继续上升到液压马达的最高压力时，溢流阀再次打开，A口向B口泄油，实现压力切断功能，保证液压马达的工作稳定性和可靠性。

图2  带螺纹插装式溢流阀的液压马达工作原理图

Fig.2  Working principle diagram of hydraulic motor with threaded cartridge relief valve

2  数学模型

2.1  螺纹插装式溢流阀

阀口流量方程为

 (1)

式中：C₁为阀口流量系数；a_x1为开口量x₁时阀口的过流面积；D₁为主阀芯的孔径；x₁为溢流阀芯的开口量；α₁为阀芯锥度；ρ为油液密度；p_A为进口压力；p_B为出口压力。

阀芯的受力平衡方程为

      (2)

式中：m₁为溢流阀芯质量；k₁为弹簧刚度；x₀为弹簧预压缩量；A₁为阀芯的大端作用面积；A₂为阀芯的小端作用面积；f为溢流阀芯所受摩擦力；F_s为稳态液动力。

2.2  液压马达

液压马达的泄漏流量与溢流阀的进口压力有关，马达的流量方程为

            (3)

式中：C_tm为液压马达的总泄漏系数；q_m为马达排量；ω_m为液压马达转速，r/min。

马达的负载力矩平衡方程为

        (4)

式中：J_t为负载转动惯量，kg·m²；B_t为阻尼系数；T_L为变负载力矩。

3  理论结果及其分析

由式(1)~(4)所示的带螺纹插装式溢流阀的液压马达数学模型，可建立液压马达系统仿真模型，如图3所示。该模型包括液压马达模型和螺纹插装式溢流阀模型。其中，溢流阀模型包含缓冲活塞、溢流阀芯、弹簧和弹簧座，且溢流阀芯与小弹簧座之间存在死腔容积，等效为敏感腔体积6。液压马达的压力缓冲和压力切断特性不仅与负载压力有关，溢流阀的结构尺寸直接影响液压马达特性，具体结构参数如表1所示。本节分析阀芯锥度、节流孔直径、敏感腔体积以及弹簧刚度对液压马达特性的影响。

图3  带螺纹插装式溢流阀的液压马达系统模型

Fig. 3  System model of hydraulic motor with threaded cartridge relief valve

表1  溢流阀结构参数

Table 1  Structure parameters of relief valve

3.1  阀芯锥度的影响

图4所示为不同阀芯锥度对液压马达的压力缓冲特性的影响。由图4可见：当α₁为15°时，马达在1.0~2.0 s未连接高压油，溢流阀处于关闭状态，马达压力为0 MPa；溢流阀受到系统压力冲击，溢流阀芯向右移动，阀芯活塞腔在2.0~2.7 s充满高压油，马达处于压力缓冲阶段，马达压力从9 MPa上升至20 MPa；2.7 s之后，溢流阀处于关闭状态，马达压力为20 MPa。在2.0~2.7 s内，马达压力随阀芯锥度增大而减小，其原因是溢流阀的背压随阀芯锥度增大而减小，降低马达的缓冲压力。因此，合理设置阀芯锥度，可缓解系统压力冲击，延长马达的使用寿命。

图4  不同阀芯锥度下马达压力缓冲曲线

Fig. 4  Pressure buffer curve of motor in different conical angles of valve core

图5所示为不同阀芯锥度对液压马达的压力切断特性的影响。由图5可见：当α₁为15°，马达压力为15.0~34.0 MPa时，溢流阀处于关闭状态，马达流量变化较小；当马达压力大于34.8 MPa时，溢流阀芯开启，马达处于压力切断阶段，马达流量随压力增大而减小；当马达压力大于34.8 MPa时，马达压力切断速度随阀芯锥度减小而减小，其原因是溢流阀的背压随阀芯锥度减小而增大，减小溢流阀的开口量，降低马达回油流量，延长马达压力切断响应时间。因此，阀芯锥度不宜设置过大，否则降低马达压力切断的响应性。

图5  不同阀芯锥度下马达的压力切断曲线

Fig. 5  Pressure cut-off curve of motor in different conical angles of valve core

3.2  节流孔直径的影响

图6所示为不同节流孔直径对液压马达的压力缓冲特性的影响。由图6可见：不同节流孔直径对于处于1.0~2.0 s和3.0~4.0 s时马达压力几乎没有影响，马达压力分别为0 MPa和20.0 MPa。但是，马达在2.0~3.0 s处于压力缓冲阶段，溢流阀芯节流孔直径d₁为1.0 mm时，马达压力缓冲时间随小弹簧座节流孔直径d₂增大而减小，其原因是d₂直径过大，系统压力小于活塞腔压力与弹簧预紧力的合力，溢流阀处于关闭状态，马达无法形成压力缓冲；当d₂为1.4 mm时，马达压力缓冲时间随d₁减小而增大，其原因是溢流阀的背压随阀芯锥度减小而增大，减小溢流阀的开口量，可延缓阀芯活塞腔压力下降，延长马达压力缓冲时间。

图7所示为不同节流孔直径对液压马达的压力切断特性的影响。由图7可见：当d₁为1.0 mm，d₂为1.4 mm时，马达的切断压力为34.8 MPa；若d₁为1.0 mm保持不变，则马达的切断压力随d₂增大而减小，其原因是小弹簧腔的作用力随d₂增大而减小，溢流阀芯的背压随之减小，降低马达的切断压力，缩小马达压力的工作范围；若d₂为1.4 mm保持不变，马达的切断压力随d₁减小而增大，其原因是溢流阀芯的活塞腔压力随d₁减小而增大，减小溢流阀芯的开口量，增加马达的切断压力，容易导致马达切断压力超过马达的最高压力，影响马达的使用寿命。因此，溢流阀的节流孔直径是影响马达压力切断特性的主要因素，合理选择节流孔直径可以提高马达的工作稳定性和可靠性。

图6  不同节流孔直径下马达的压力缓冲曲线

Fig. 6  Pressure buffer curve of motor in different diameters of orifice

图7  不同节流孔直径下马达的压力切断曲线

Fig. 7  Pressure cut-off curve of motor in different diameters of fluid resistance

3.3  敏感腔体积的影响

图8所示为不同敏感腔体积对液压马达的缓冲特性的影响。由图8可见：不同敏感腔体积对马达的压力缓冲特性的影响较小。液压马达在1.8~2.0 s未接通高压油，马达压力为0 MPa；马达在2.7~3.0 s接通高压油，溢流阀处于关闭状态，马达压力为20.0 MPa。马达在2.0~2.7 s处于压力缓冲阶段，溢流阀受到系统压力冲击，溢流阀处于开启状态，缓冲活塞腔充满高压油，马达压力从12.5 MPa上升至20.0 MPa。

图9所示为不同敏感腔体积对马达的压力切断特性的影响。由图9可见：当V为5 cm³时，马达的切断压力为34.8 MPa，随着V增大，马达流量的振荡现象越激烈。其原因是敏感腔压力随敏感腔体积V减小而增大，容易引起压力分布不均匀，造成溢流阀芯运动过程中出现振荡现象，降低阀芯开口处流量的稳定性，影响马达压力切断的响应性。

图8  不同敏感腔体积下马达的压力缓冲曲线

Fig. 8  Pressure buffer curve of motor in different sensitive chamber volumes

图9  不同敏感腔体积下马达的压力切断曲线

Fig. 9  Pressure cut-off curve of motor in different sensitive chamber volumes

3.4  弹簧刚度的影响

图10所示为不同弹簧刚度对马达的压力缓冲特性的影响。由图10可见：当弹簧刚度k₁为50.52 N/mm时，马达处于1.0~2.0 s和3.0~4.0 s时压力分别为0 MPa和20.0 MPa。但是，马达在2.0~3.0 s处于压力缓冲阶段，马达压力缓冲时间随k₁增大而减小，其原因是随着k₁增大，系统压力小于活塞腔压力与弹簧预紧力的合力，溢流阀芯的开口量减小，缩短马达压力缓冲时间。

图11所示为不同弹簧刚度对马达的压力切断特性的影响。由图11可见：当弹簧刚度k₁为50.52 N/mm时，马达的切断压力为34.8 MPa。马达的切断压力随k₁增大而增大。其原因是弹簧腔的作用力随k₁增大而增大，增大溢流阀芯的背压作用，减小溢流阀的开口量，增加马达的切断压力，导致马达切断压力超过马达的最高压力，影响马达的使用寿命。因此，溢流阀的弹簧刚度不宜设置过大，否则延长马达压力切断时间，降低马达的压力切断性能。

图10 不同弹簧刚度下马达的压力缓冲曲线

Fig.10  Pressure buffer curve of motor in different spring stiffnesses

图11  不同弹簧刚度下马达的压力切断曲线

Fig. 11  Pressure cut-off curve of motor in different spring stiffnesses

4  试验结果及其分析

将所研制的螺纹插装阀安装于液压马达，在250 kW液压泵/马达综合性能试验台上进行带螺纹插装式溢流阀的液压马达特性试验，所采用的试验平台由控制电机，液压泵，加载马达，测试液压马达，集成式操作台架和一台配有数据采集卡及端子板的计算机、控制软件和图像处理软件等构成。

4.1  压力缓冲特性试验及分析

图12所示为实际工况下马达的压力缓冲特性曲线。由图12可见：马达处于24.0~25.0 s和27.0~28.0 s时压力分别为0 MPa和20.0 MPa，马达压力存在振荡现象，超调量小于3%；马达在25.0~27.0 s处于压力缓冲阶段，马达压力为11.0 MPa，压力缓冲时间为2.0 s，存在压力峰值，峰值响应时间为0.8 s，与仿真结果相比，马达压力多4.0 MPa，压力缓冲时间多1.2 s，其原因是主阀芯与阀套以及阀套与缓冲活塞之间均为间隙配合，存在泄漏流量，且没有考虑缓冲活塞与阀套之间的摩擦阻力，延长马达的压力缓冲时间。溢流阀芯的开口量较小，容易引起压力分布不均匀，导致溢流阀芯出现压力冲击现象，降低马达压力缓冲的工作稳定性。

图12  实际工况下液压马达的压力缓冲曲线

Fig.12  Practical pressure buffer curve of motor

4.2  压力切断特性试验及分析

图13所示为实际工况下马达的压力切断曲线。由图13可见：当马达压力小于34.0 MPa时，溢流阀处于关闭状态，由于实际工况下马达存在内部泄漏流量，马达流量随马达压力增大而减小，变化量较小；当马达压力大于34.0 MPa时，溢流阀处于开启状态，马达流量随马达压力增大而减小，马达的实际切断压力为34.5 MPa，与仿真结果相比，马达压力存在波动，超调量小于1%。

图13  实际工况下液压马达的压力切断曲线

Fig. 13  Practical pressure cut-off curve of motor

5  结论

(1) 溢流阀芯锥度、节流孔直径、敏感腔体积以及弹簧刚度等结构参数影响液压马达的压力缓冲和压力切断特性。溢流阀芯的节流孔直径对马达特性的影响最大，其次为弹簧刚度，敏感腔体积的影响较小。

(2) 溢流阀合理设置阀芯锥度和节流孔直径，可降低阀芯两端压差，改善溢流阀的工作稳定性，提高马达压力缓冲和压力切断的响应性，延长马达的使用寿命。

(3) 溢流阀芯与阀套以及阀套与缓冲活塞之间受摩擦阻力和间隙配合的影响，延长马达实际压力缓冲时间。溢流阀芯的开口量较小，容易引起压力分布不均匀，导致溢流阀芯出现压力冲击现象，降低马达压力缓冲和压力切断的工作稳定性。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2012-12-27；修回日期：2013-04-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175378，51275356)；国家科技支撑计划项目(2011BAJ02B06)；航空科学基金资助项目(20120738001，20128038003)

通信作者：訚耀保(1965-)，男，湖北麻城人，博士，教授，从事流体传动与控制研究；电话：021-69589736；E-mail: yinyaobao@126.com