性能特性

出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第628页（6886字）

(1)性能参数

A．基本参数

公称压力 指名义上的压力。

公称流量 指名义上的流量。

额定压力 指额定工况时的压力，一般指额定工况下的最大工作压力。

额定流量 指额定工况时的流量，一般指在压力损失值限定条件下所能通过的流量。

B．稳态特性参数

调压范围 指在通过额定流量时，调压手轮从全开至全关状态下，溢流阀进油口的压力变化范围。

压力振摆 指在稳定状态下调定压力的被动值。

压力偏移 指在规定时间内调定压力的偏移量。

内泄漏量 指内部运动副高低压腔间的泄漏量，一般指溢流阀调定压力在其调压范围最高值时，使其进口压力由调压范围最高值降至某一压力后，从溢流口所测得的泄漏量。

卸荷压力 指在调定压力下，通过额定流量时，使溢流阀遥控口接油箱，即溢流阀处于卸荷状态时进、回油口的压差。

压力损失 指在调压手轮处于全松位置，溢流阀通过额定流量时，进、回油口的压差。

开启特性 指溢流阀从关闭逐渐开启时，流经阀的流量和与之对应的进口压力之间的关系。开启特性一般用开启率来衡量，开启率即开启压力与调定压力的百分比。

闭合特性 指溢流阀从开启逐渐关闭时，流经阀的流量和与之对应的进口压力之间的关系。闭合特性一般用闭合率来衡量，闭合率即闭合压力与调定压力的百分比。

稳态压力一流量特性 即启闭特性，它是开启特性和闭合特性之总合。

C．动态特性参数

瞬态恢复时间 指在瞬态过程中，从达到调定压力到调定压力稳定时所需的时间。

建压时间 指从卸荷状态回升至调定压力稳定时所需的时间。

卸荷时间 指从调定压力状态至完全卸荷时所需的时间。

压力超调量 指瞬态过程中，峰值压力与调定压力的差值。

压力超调率 指压力超调量与调定压力的百分比。

D．噪声

指不希望发出的声音，主要包括机械噪声和流动噪声。

(2)性能要求

对溢流阀的主要性能要求是：

·调压范围大，压力振摆和偏移小；

·等压力特性好，开启率和闭合率高；

·过流能力大，压力损失和内泄漏量小；

·瞬态恢复时间短，建压和卸荷时间短，压力超调率低；

·动作灵敏，噪声小。

(3)性能特性分析

A数学模型

以先导式溢流阀为例，建立其数学模型，直动式溢流阀的数学模型可由此简化后得到。

图14．2－3为先导式溢流阀的物理模型，据此可列出下列基本方程：

图14．2－3 先导式溢流阀的物理模型

(A)主阀芯的运动微分方程

式中 F_s——作用在主阀上的稳态液动力，对下流式锥阀，若其下端无尾蝶，稳态液动力起负弹簧作用，对稳定性不利；若其下端做成尾蝶形状，则可使出流方向与轴线垂直，甚至造成回流，从而对稳态液动力起到补偿作用。其表达式为：

F_s=－C_dC_vπDpxsin2α

F_t——作用在主阀芯上的瞬态液动力

(B)通过主阀阀口的流量方程

(C)通过主阀芯阻尼孔的流量方程

(D)通过主阀上部及阀盖间隙处的泄漏量方程

(E)导阀芯的运动微分方程

式中 F_sc——作用在主阀芯上的稳态液动力，导阀为上流式锥阀，其表达式为

F_sc=C_dcC_vπD_cp_cx_csin2α_c

F_tc——作用在导阀芯上的瞬态液动力

(F)通过导阀座阻尼孔的流量方程

(G)通过导阀阀口的流量方程

(H)主阀下腔的流动连续性方程

(I)主阀上腔的流动连续性方程

(J)导阀腔的流动连续性方程

以上诸式中

p₁、p——主阀芯上下腔的液压力(Pa)；

A₁、A——主阀芯上下腔的有效面积(m²)；

m、m_c——主阀芯、导阀芯及其弹簧的质量(kg)；

B、B_c——主阀芯、导阀芯的粘性阻尼系数

［N／(m／s)］；

x、x_c——主阀、导阀的开口量(m)；

k、k_x——主阀、导阀弹簧的刚度(N／m)；

F_s、F_sc——作用在主阀芯、导阀芯上的稳态液动力(N)；

F_t、F_tc——作用在主阀芯、导阀芯上的瞬态液动力(N)；

F_f——主阀芯与阀体间的摩擦力(N)；

G——主阀芯及其弹簧的重力(N)；

C_d、C_dc——主阀、导阀阀口的流量系数；

C_d1、C_d2——主阀、导阀阻尼孔的流量系数；

C_v——流速系数；

p_c——导阀腔的液压力(Pa)；

q_p——泵的输出流量(m3／s)

q、q_c——主阀、导阀的溢流量(m3／s)；

q、q₂——通过主阀芯、导阀座阻尼孔的流量(m³／s)；

q_l——主阀芯上部与阀盖间隙处的泄漏量(m³／s)；

ρ——油液的密度(kg／m³)；

v——油液的运动粘度(m²／s)；

β_e——油液的压缩率(Pa^－1)，其倒数为体积弹性模量(Pa)；

V1、V——主阀上下腔及其连接管道的容积(m³)；

D、D_c——主阀、导阀的出流口直径(m)；

D₁——主阀芯上部直径(m)；

d₁、d₂——主阀、导阀的阻尼孔直径(m)；

l₁、l₂——主阀、导阀的阻尼孔长度(m)

l₃——主阀芯上部与阀盖的配合长度(m)；

L、L_c——主阀、导阀的阻尼长度(m)；

a、α_c——主阀芯、导阀芯的半锥角(°)；

r——主阀芯上部及阀盖的间隙(m)。

方程(14．2－5)至(14．2－14)全面描述了溢流阀的动态特性。如果把溢流阀看作一个动态系统，则x_co为输入量，p为输出量，(q_p－p_L)为扰动量，我们要研究的正是扰动量变化对输出量的影响。

上述方程组是一组非线性方程，必须借助于计算机进行解算，同时还应考虑下列边界条件：当x_c≥0时，x≥0；当x_c=0时，x=0，x_c=x_c=0；当x=0时，主=x=0。

若忽略非线性的摩擦力，并对流量方程及稳态液动力表达式进行小增量线性化，再对上述方程进行拉氏变换，整理后可得到如图14．2－4所示的方框图。图中

k↓(q)——主阀流量增益

k↓(c)——主阀的流量压力系数

k↓(qc)——导阀流量增益

k↓(cc)——导阀的流量压力系数

b↓(t)——主阀的瞬态液动力系数

b↓(tc)——导阀的瞬态液动力系数

k↓(c)——导阀等效弹簧刚度

k↓(sx)——导阀液动力弹簧刚度

k↓(sp)——导阀的液动力压力系数

c↓(1)——主阀阻尼孔导纳

c↓(2)—— 导阀阻尼孔导纳

c↓(l)——主阀芯上部泄漏系数

图14．2－4 先导式溢流阀的方框图

B．性能特点

溢流阀的性能特性包括稳态特性和动态特性。稳态特性是指阀在稳态工况时的特性，动态特性是指阀在瞬态工况时的特性，二者是相互矛盾的。对普通液压阀来说，主要是希望其具有比较好的稳态特性。

(A)稳态特性

溢流阀的稳态特性主要是其稳态压力－流量特性(即启闭特性)，图14．2－5为溢流阀的启闭特性曲线。其中直线a为理想的启闭特性，曲线b和b′为先导式溢流阀的开启特性和闭合特性，曲线c和c′为直动式溢流阀的开启特性和闭合特性。

图14．2－5 溢流阀的启闭特性曲线

由溢流阀的启闭特性曲线可以看出：

·如直线a所示的理想启闭特性是我们所希望获得的，其含义是：当且仅当进口压力达到调定压力时，溢流阀才立即开启，溢流量也同时达到额定值；而只要当进口压力与调定压力相比略有降低，溢流阀就立即关闭，溢流量也同时降为零。很显然，这种阀在实际中是不存在的。

·对同一个溢流阀，其开启特性总是优于闭合特性，即开启率高于闭合率。这主要是由于在开启和闭合两种运动过程中，摩擦力的作用方向相反所致。

·先导式溢流阀的启闭特性优于直动式溢流阀。也就是说，先导式溢流阀的调压偏差小，开启率和闭合率高，调压精度高。

所谓调压偏差，即调定压力与开启压力之差值。压力越高，调压弹簧刚度越大，由溢流量变化而引起的压力变化越大，调压偏差也越大。

由以上分析可知，直动式溢流阀结构简单，灵敏度高，但压力受溢流量变化的影响较大，调压偏差大，不适于在高压、大流量下工作，常作安全阀或用于调压精度要求不高的场合。而先导式溢流阀，由于其对压力和流量两个主要参数进行了合理化分配，用高压差、小流量的导阀来控制低压差、大流量的主阀，虽然灵敏度较直动式溢流阀有所降低，但调压精度却有了明显的提高，故先导式溢流阀被广泛用于高压、大流量和调压精度要求较高的场合。

(B)动态特性

溢流阀的动态特性是指流量阶跃时的压力响应特性，如图14．2－6，其衡量指标主要有瞬态恢复时间和压力超调率。对先导式溢流阀，还有卸压、建压特性，如图14．2－7，其衡量指标是建压时间和卸荷时间。

图14．2－6 瞬态响应特性曲线

图14．2－7 建压、卸荷特性曲线

一般来说，直动式溢流阀比先导式溢流阀的响应速度快，但压力超调率高，瞬态恢复时间也较长。