李晓晖

（金陵科技学院，江苏 南京210069）

摘 要：搭建了节流阀进口节流调速回路。调节节流阀开口度，使节流阀开口度在3圈、2圈、1圈的工作状态下分别测试液压缸伸出及退回时的压力变化及运行时间，与理论分析进行对比，分析压力波动的原因及相关问题的产生。结果表明：在节流阀节流调速回路中，随着节流阀开口度的减小，液压缸的运行速度也随之降低；液压缸两端测定压力会随节流阀开口度的减小而升高；换向阀切换时压力会产生瞬时高压，压力会大于溢流阀调定压力；由于回路接油箱一侧会产生一定的背压，所以接油箱一侧压力示数不为0。

关键词：节流阀；开口度；调速回路；背压

引言

在液压技术中，节流调速回路以其结构简单、工作可靠、成本低、使用维护方便、调速范围大等优点被广泛应用于中小功率机床、工程机械及农业机械的液压系统中。节流阀作为节流调速的关键元件，其性能的好坏直接影响整个系统的速度与压力特性。测试评判液压元件和系统性能的最终依据，同时也是液压技术最重要的研发手段，本文通过搭建节流调速系统，对节流阀在不同开口度情况下液压缸两侧压力进行测试，研究节流阀开口度特性，同时对测试结果中存在的相关问题进行了分析解释，对于今后节流调速系统的应用与试验具有一定理论意义。

1 测试系统原理及理论预测

1.1 测试系统

该测试回路由液压泵1、溢流阀2、压力表3、压力传感器4、换向阀5、节流阀6、液压缸7组成。其中，定量泵与溢流阀构成恒压油源，节流阀和压力传感器4.2、4.3被安放在液压缸与换向阀之间，p₁、p₂、p₃分别为设置的三处测压点。

图1 节流阀开口度测试回路

在节流调速回路中，因节流阀安放位置的不同，又可分为进口节流式、出口节流式、旁路节流式和进、出口同时节流式等多种调速方式。在该系统中，当液压缸伸出过程时，节流阀通高压油，可被看作进口节流调速回路；当液压缸退回过程时，节流阀通低压油，可被看作出口节流调速回路。进、出口节流调速回路具有一样的负载特性。

1.2 理论分析

当换向阀处在图1中左位工作时，该回路可看作进口节流调速回路，液压缸在平稳运动时的受力平衡方程为

式中A₁——液压缸无杆腔作用面积，mm；

A₂——液压缸有杆腔作用面积，mm²；

p₁——液压缸无杆腔压力，MPa；

p₂——液压缸有杆腔压力，MPa；

F——液压缸外负载，N。

不计管路压力损失时，低压侧压力p₂=0，则

为使油液在节流阀前后流动，换向阀出口处的压力要大于p₁，即节流阀前后存在一定压差Δ_p，通过节流阀的流量q₁可表示为

式中q₁——通过节流阀流量，L/min；

C_d——流量系数，近似为常数；

A_T——节流阀过流面积，mm²；

p——节流阀前后存压差，MPa；

ρ——油液密度，kg/m³。

则液压缸的运动速度为

式中u——液压缸运动速度，m/s。

可得当外负载F为常数时，液压缸的运动速度u会随着节流阀过流面积A_T的减小而减小。

2 实验与测试数据

图2为节流阀开口度测试实验图，实验中使用的是德国5060液压测试仪（如图3所示），俗称液压万用表。其实验步骤如下：

（1）将节流阀开口度调到3圈位置（即开口最大位置），将溢流阀压力调定为2MPa，接通电磁铁控制电源，使三位四通换向阀处在右位，此时油缸处在缸筒内未伸出，设定万用表的采样时间为30s，开始切换换向阀，使油缸伸出，运行到终点位置再次切换换向阀，如此循环动作持续30s。

（2）设定采样时间为30s，将节流阀开口度调到2圈位置，重复上述测试步骤，进行记录。

（3）设定采样时间为30s，将节流阀开口度调到1圈位置（即开口较小位置），重复上述试步骤，进行记录。

图2 节流阀开口度测试实验图

图3  5060型液压测试仪

得到的p₂、p₃位置的压力随时间变化的曲线图如图4~图6所示。

图4 开口度为3圈压力曲线

图5 开口度为2圈压力曲线

图6 开口度为1圈压力曲线

为说明数据图中各区间段所代表的液压缸运动状态，截取节流阀开口度为1圈，0.5~7s之间采样时间内的压力曲线进行说明，如图7所示。图中蓝色曲线为p₂测压点位置压力，绿色曲线为3测压点位置压力。

图7 各区间所代表运动状态

3 实验现象及解释说明

由测试数据可以得到以下实验现象，同时对相关问题进行了说明。

（1）液压缸伸出时高压侧（p₂处）压力小于退回时高压侧（p₃处）压力。分析原因：由于液压缸外部未加其他负载，所以液压缸运动时所克服的外力只有滑动摩擦力，伸出和退回时该力可近似为0，由于液压缸无杆的作用面积大于有杆腔作用面积，所以，退回时p3压力应略大于伸出时p₂处压力。

（2）液压缸伸出时间小于退回时间。分析原因：节流阀开口度调节固定好后，通过该阀的流量即为一定值，则液压缸的运动速度u可为

式中Q——通过节流阀的流量，L/min；

S——高压侧油液作用于液压缸的作用面积，mm²。

由于液压缸无杆腔的作用面积大于有杆腔作用面积，所以液压缸伸出速度大于退回速度。

（3）随着节流阀开口度的减小，液压缸的运动速度降低。分析原因：由于运动速度取决于流量，通过改变节流阀的开口来控制流量，其余流量通过溢流阀流回油箱，所以开口度越小，速度越低。

（4）随着节流阀开口度的减小，p₂与p₃位置的测定压力会随之升高。分析原因：液压缸在伸出时，p₂点的压力为

式中p_2——液压缸伸出时p₂点压力，MPa。

液压缸在退回时，3点的压力为

式中p₃——液压缸退回时p₃点压力，MPa。

外负载和液压缸两腔的作用面积都是定值，随着节流阀开口度的减小，节流阀前后压差会有一定程度的升高（主要受油液挤压影响），所以p₂与p₃位置的测压力也会随之升高。

（5）液压缸伸出时低压侧为p₃，退回时低压侧为p₂，图1系统上显示低压侧油路直接回油箱，示数应为0，但实际测试数据均不为0，且在每种开口度下低压侧的示数也不相同，开口度越小，低压侧压力越低。分析原因：主要有两个方面：一是由于低压侧油管油液流动时会产生一定的背压，且换向阀自身的油液通流面积也可被看做一开口度较大的固定节流口，油液通过换向阀前后时也必然会产生一定的液阻，使低压测压点处的压力不为0；由式（3）可看出，换向阀的固定节流口面积固定，当节流阀开口度减小时，通过的流量减小，必然会导致换向阀前后压差降低，所以节流阀开口度越小，低压侧压力越低。

（6）从压力测试图中看，各区间段的过渡处（即换向阀换向时刻）均出现压力瞬时急剧上升的情况，如图8所示，甚至最高点压力大于溢流阀调定压力，但时间很短。分析原因：主要是因为换向阀在换向时对油液产生挤压，且换向瞬时油液存在冲击，使测压点液压力瞬时升高，但换向时间较短，所以是瞬时高压。

（7）每条压力曲线并不是一条平滑细实线，仔细观察曲线呈现为有规律的波浪式曲线，如图8所示。分析原因：主要因为本次实验所用液压泵为齿轮泵，齿轮泵的流量脉动性较大引起了系统瞬时流量的波动。

图8 压力局部曲线

4 结论

对节流阀开口度测试回路进行系统搭建，分别对节流阀开口度在3圈、2圈、1圈，溢流阀调定压力为2MPa下的p₂、p₃测压点进行30s压力测试，得到以下结论：

（1）液压缸伸出时高压侧压力小于退回时高压侧压力；

（2）液压缸伸出时间小于退回时间；

（3）节流阀开口度越小，液压缸的运动速度越低；

（4）随着节流阀开口度的减小，p₂与p₃位置的测定压力会随之升高；

（5）低压侧示数均不为0，主要由于油路背压和换向阀流口所致；

（6）换向阀切换时会产生瞬时高压。