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原创干货 | 作为液压专家的您,“压力切断”的这些知识都留意到了吗?

 凝众液压 2017-01-13
提起“压力切断”的概念,想必各位淘友都不陌生!那么,在不同的泵上对它的描述有何不同?它是如何实现压力恒定的?实现的方式有哪些,不同之处又在哪里?我们该如何去调整它?调整不当会给液压系统带来哪些不良的影响.........?

本期,淘液压(公众号:taoyeya2014)分享一下有关“压力切断”的话题,欢迎各位淘友批评指正!
一:真的是这样吗?
开始本期话题前,淘友们先看看下面的说法是真的吗?
“当泵工作压力达到切断压力时,斜盘回摆到最小摆角,此时排量最小。”

真的是这样??
淘友观点
有淘友翻出力士乐中文样本里的说明:切断时,泵回摆到最小排量。而且右图是力士乐样本里的。图中看,泵在“切断”时斜盘很快就回摆到最小排量位置。
所以,上面的说的是真的。

亲爱的淘友,您觉得呢?到底是不是真的呢?别急,我们继续向下看,淘液压(公众号; taoyeya2014)先分享二个案例。在文章的最后,我会给出这两个案例的详细分析,请关注。

二:简单却很好诠释“压力切断”的例子
案例一
下图为简化的系统原理图

系统配置:A4VSO125DR泵+比例换向阀驱动一个油缸,系统中的两个A4VSO泵一备一用。系统开环控制。
压力设定:泵上DR阀设定压力为100bar;泵口旁路上的安全阀设定130bar
问题描述:当单独启动工作泵时,油缸速度正常;停下工作泵,启动备用泵时,给比例阀同样的信号,发现油缸速度明显变慢。

案例二
四台A4VSOXXDR泵并联,泵口旁路装有蓄能器,如下图每台泵均设定为220bar,工作时出现压力波动较大管路振动厉害的现象。为什么会这样?几台恒压泵并联使用,在设定压力时,需要注意什么?

1:为什么两台同样的泵,且都是新泵,压力设定完全一样,而且都是通过同一个比例阀控制油缸,在控制信号完全一样的情况下油缸的速度却有很大的差异呢?备用泵有问题了?可都是新泵啊;如果把系统中的A4VSO泵换成定量齿轮泵,又会发生什么样的现象呢?

2:多台恒压泵并联使用,为什么容易出现压力波动,且管路振动严重的现象?这样使用时,又有什么注意的地方呢?

请淘友们思考。要搞清楚其中原因,我们就要先明白A4VSO泵DR控制即“压力切断”这一功能的真正内涵。在给出具体分析之前,淘液压(公众号:taoyeya2014)先聊一聊“压力切断”。为了方便淘友们的理解,我们首先从液压的两个重要概念开始:
01














三:压力&流量
我们通常说“压力取决于负载”,这句话对吗?怎么会不对呢,一直都是这么说的呀........? 对,也不对。说它对的淘友,一定能举出很多“压力取决于负载”的例子,比如,垂直安装的油缸,托举的物体(负载)越重,油缸内的压力越大;说它不对的淘友,也会用听上去很有道理的例子来支持自己的观点,比如:一个密闭的容器(无泄漏)充满了油液,此时里面油液的压力我们假定P0,当向容器内再充油液时,哪怕很小的一滴,也会使得容器内压力增大很多。这又似乎说明压力与流量(进入容器内油液的多少)有关。

淘液压(公众号:tayeya2014)想说的是,两种说法都是没有错的,只是从不同的角度去谈论而已。如果我们把二者统一起来的话,也许会更好理解,即:压力取决于油液被“挤压”的程度,可以是来自外部的“挤压”(外部负载)也可以是内部的“挤压”(更多的油液进入不变的容腔)。淘友们记住了这句话,后面讨论的内容就更容易理解了。

四:油槽液位&液压系统压力

下图为一个油槽,左上侧安装一个进油阀,右下安装一个放油阀。



那么,请淘友们思考:要保持油槽内液位不变,有哪几种方法?“滴答、滴答......”,时间到,请抢答。
淘液压
帕前辈您手举得最高,您先说
帕斯卡:著名帕斯卡定律的发现者
两种办法,第一种:从进油阀流入油槽多少油,放油阀就放掉等量的液压油;第二种:放油阀放掉了多少油,通过进油阀补充进去等量的液压油 。
淘液压
果真名不虚传,向帕前辈致敬。
伯努利:流体力学之父,发现伯努利定律
小淘,你就是马屁精一个。老帕这是在说绕口令呢?一会放油,一会补油;一会补油,一会放油。

哈哈,以上对话纯属杜撰,只是想让各位淘友记住两个伟大的定律,一个是关于流体静力学的,帕斯卡定律;另一个是关于流体动力学的,伯努利定律。这两大定律能帮助我们更好地理解流体压力的形成及变化。感兴趣的淘友请自己查阅相关资料

我们继续刚才的话题,要保持油槽的液位不变,可以采取两种不同的办法:
1:通过进油阀进入油槽多少油液,相应地打开放油阀放走等量的油液;

2:放油阀放走了多少油液,相应地打开进油阀补充进等量的油液;

02




两种方法最大的不同是什么呢?是谁先谁后,谁主动谁被动的问题。
如果放油阀先开启(主动),为了保持液位不变,进油阀不得不开启补充油液(被动);
如果进油阀先打开(主动),为了保持液位不变,放油阀也只有打开放油了(被动);

两种方法共同之处,都是让进油和放油量达到一种动态平衡,从而维持液位高度不变。

了解了上面有关油槽液位的描述,现在我们进行如下类比,请淘友们思考一下其中道理:

1:油槽类比为液压系统;
2:油槽液位的高度类比为液压系统的压力大小;
3:进油阀过来的油液类比为泵输送给液压系统的油液;
4:放油阀放走的油液类比为系统中的溢流阀溢流的油量和各处的泄漏(内泄和外泄);

根据以上的类比,并结合上面关于“保持油槽液位不变”的方法,淘友们很容易就能想到:
保持液压系统压力恒定的方法

1:溢流方式实现
对于定量泵系统,我们可以通过泵口旁路上的溢流阀来实现系统压力恒定(多余的油液通过溢流阀泄回油箱);

2:通过改变泵排量的方式实现
具有压力控制功能的变量泵,当系统的压力达到设定值时,泵可以自动减小排量从而维持压力在设定值;当系统压力低于设定值时,泵会自动增大排量试图维持压力在设定值(能否维持到设定压力,取决于负载情况)。


这种改变泵排量实现压力恒定的方式,力士乐的样本里称作“压力切断”

五:“压力切断”到底是什么鬼
前面我们聊了那么多,是为了让淘友们清楚限定压力的常用方法,换言之,了解如何实现系统恒压,并引出了压力切断的概念。


其实,所谓的“压力切断”就是实现压力恒定(限定最高工作压力或者压力控制)的一种方式,在力士乐的英文样本里描述为pressure cut off,在翻译成中文时被直译成了“压力切断”。对一称谓,业内是有不同看法的。翻看力士乐的样本,这一压力控制的功能在不同的泵上是有不同表述的,大概分为以下三种情况:

1:压力控制作为一种单独的控制形式时,通常被描述为Pressure control(压力控制)比如:
A4VSxxDR泵、A7VOXXDR泵、A10VXXDR泵、A11VXXDR泵等

2:压力控制作为一种附加功能(泵上同时有多个控制形式时,比如LRDS,LRN1D中的D)时,被描述为Pressure cut off (压力切断)比如:
A4VGXXEP1D, A10VOXXLA5D, A11VXXLRDU2,A7VOXXLRD

3:压力控制作为一种附加功能时,依然被描述为Pressure control (压力控制)比如:
A4VSOXXLRD
03







犹如“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳”,“压力切断”功能在不同泵上有不同的称谓。这也许因为不同泵厂设计人员对同一个概念描述的习惯不同罢了。淘液压(公众号:taoyeya2014)更倾向于pressure control 压力控制的说法。不论叫什么名字,它们的功能都是类似的:限定系统的工作压力或者实现压力的恒定。我们不必纠结于它的名称,重要的是搞清楚它的工作原理及实现的方法。为了表述方便接下来的内容里,依然沿用“压力切断”的称谓。
六:“压力切断”实现的不同形式
通过前面的介绍,淘友们对“压力切断”实现的原理应该很清楚了。简言之就是:
泵上的“压力切断”控制阀首先感知系统的工作压力,然后改变控制压力(推动变量活塞的控制油压力),从而改变斜盘摆角(泵排量),最终实现压力的恒定(限制住系统的最高工作压力)。
下面我们一起看看力士乐常见变量柱塞泵实现“压力切断”的形式:

1:A4VG泵压力切断的实现


A4VG
切断阀结构
a:插装式(黄色虚线框)

b:A,B两侧共用一个切断阀

c:内置梭阀,选择高压侧
的油作为先导油作用在阀芯上,控制阀芯的开启

d:调整螺钉在顶部,顺时针旋进压力增大,逆时针旋出压力减小
切断阀原理
A4VG
从右图的原理图可以看出,它的工作原理如下:
通过梭阀选择高压侧工作油作用在切断阀芯上,当工作压力达到弹簧设定力时切断阀开启将控制油泄掉一部分,斜盘向小摆角摆动直到工作压力等于弹簧设定力;当工作压力低于设定值时,控制油不会被卸掉,由泵头的控制阀根据控制信号的大小成比例变化;




2:A11V泵压力切断的实现


A11V
切断阀/压力控制阀结构
a:集成在控制阀块上,滑阀式结构(黄色虚线框)
b:调整螺钉顺时针旋进压力增大,逆时针旋出压力减小
c:两个变量活塞,一大一小;
切断阀/压力控制阀原理
A11V
从右图的原理图可以看出,它的工作原理如下:

泵在不工作时,面积大的变量活塞(右图下方)腔内的控制油经过切断阀与壳体导通,在变量弹簧的作用下将斜盘推至最大摆角位置(最大排量)。当泵工作压力达到切断阀弹簧设定的压力时,切断阀动作,此时控制油(来自泵口工作油或G口外供)经过切断阀到达面积大的变量活塞(右图下方),克服原有平衡,将斜盘推向小摆角方向,从而限制泵口压力不再上升。当泵口压力试图低于切断阀设定压力时,面积大的变量活塞内控制油被断开,导通到壳体,此时泵斜盘又向大摆角方向摆动,试图将压力维持在设定值。


A11V
切断/压力控制特性曲线
a:设定范围50~350bar

b:设定压力的误差最大为10bar

3:A4VS泵压力切断的实现





A4VS
切断阀结构
a:板式滑阀结构,作为附加功能时,叠加在其他控制阀上(黄色虚线框)
b:恒压控制可选择DR形式,也可以选择DRG远控式。

c:阀的两端都有可以调整的螺钉,外六方调整螺钉为调整压力的,顺时针旋进压力增大,逆时针旋出压力减小。另一侧的内六方螺钉是调整斜盘响应时间,出厂时已调整好,现场不需调整。


切断阀原理
A4VS
从右图的原理图(上面彩图为DRG远控形式的)可以看出,它的工作原理如下:
a:通过DRG阀上的弹簧设定一个压差,标准设定为20bar,(可根据需要在20~50bar范围里设定);
b:DRG阀X口连接一个溢流阀,用作远控压力的设定。
c:泵口压力=溢流阀设定压力+DRG阀弹簧设定的压差;
d:压力达到设定值后,远控溢流阀开启,油液流动,在泵口B与远控口X之间的固定节流两端产生压差,当其达到DRG弹簧设定值时,阀动作,控制油到达变量活塞大腔,使斜盘向小排量方向回摆,从而限定泵口压力不再升高;

右侧中间黑白图为DR控制的原理图,实现的原理与上面类似。



A4VS
切断/压力控制特性曲线
a:设定范围50~350bar
b:设定压力的误差最大为3bar

04


















以上详细介绍了力士乐常见泵上“压力切断”实现的原理,及“切断阀”的结构。总结一下:
1:通过改变斜盘摆角(泵的排量)实现压力调节的方式,称作“压力切断”;
2:有些泵是通过切断阀动作改变控制压力大小来实现“压力切断”,比如:A4VG;有些泵是通过切断阀动作,使控制油进入变量活塞的大腔(单个变量活塞时)或进入另一个变量活塞(两个变量活塞时)来控制斜盘从而实现压力切断;
3:有的泵控制油是补油泵提供,如A4VG;有些泵的控制油直接取自泵的工作油,如A11V, A4VSO,A4VSG,A4CSG,A7VO,A10VSO等;
3:仔细观察压力特性曲线,会发现:泵斜盘摆向小摆角位置过程中,泵口压力会发生小范围的变化,具体而言:斜盘调整到小摆角时的泵口压力与斜盘刚开始调整时的泵口压力大概相差:
A11泵:10bar左右;

A4VS泵:3bar左右;


淘友们思考下,为什么A4VG泵没有提到这个偏差?


淘友们请思考为什么在压力切断时,泵口压力会有这样一个小的差异呢(泵斜盘从最大摆角调整到小摆角时)?而且A4VSO泵的这个压差(3bar)会小于A11VO(10bar)泵压差?可以将您的观点在文后的留言里分享出来,供大家一起探讨。
七:关于两个案例的分析
行文至此,想必很多淘友已想清楚了文章开头中两个案例中问题的根本原因。下面,淘液压(公众号:taoyeya2014)分享一下对这两个问题的分析,抛砖引玉,供淘友们参考:

案例一的分析:

1:工作泵与备用泵启动时的不同之处
在这个案例中,系统比较简单。工作泵与备用泵都是新泵,而且两个的设定压力是相同的,又都是经过同一个比例阀控制油缸。经检查,两泵的切断压力的确设定是一样的,而且备用泵的确也能够达到设定的压力值。所以,我们应该考虑:备用泵工作时与工作泵工作时的最大不同是什么?是什么呢?它们出口处有各自的单向阀和过滤器。那就互换泵口的单向阀试试看。果真,互换后备用泵工作时,油缸速度正常了;启动工作泵,油缸速度变慢。此时,原因已明确:备用泵出口上的单向阀故障导致油缸变慢。

2:单向阀为什么造成这样的故障
再进一步分析,为什么单向阀出现故障会造成这样的结果呢?这是因为:
单向阀可能没有完全打开,通流能力不够,压降过大,而备用泵A4VSOXXDR是恒压变量泵(压力切断功能),当泵口压力达到设定压力时,泵斜盘自动回摆,减小了泵的排量,而且在切断时的排量一定是小于了工作泵切断时的排量(尽管两泵的切断压力值设定是一样的),所以,油缸速度会变慢。为什么这样说呢?因为,在泵切断时,备用泵口单向阀上的较大压降,造成比例阀前压力减小(相对工作泵工作而言, 泵口压力-单向阀压降)这样油缸速度就变慢了,而此时对备用泵来讲,尽管有能力提供更多的油液,但压力达到切断值时,它就认为负载不再需要过多的油液,开始自动回摆减小排量。

3:切断时泵不一定在最小排量
这个案例也很好地说明了,文章开始的“当泵工作压力达到切断压力时,斜盘回摆到最小摆角,此时排量最小。”的论述是错误的。泵切断时,排量取决于负载对流量的需要,需要的多就排量大一些,需要的少,排量就小一些,最终是维持住压力不变。

而力士乐中文样本中说:泵切断时,斜盘回摆到最小摆角。这个说法是不准确的,也许是翻译的错误。A4VG的英文样本里的描述是:.....after reaching the pressure setting, adjusts the volum of pump to Vmin=0.淘液压认为,应翻译成“达到切断压力后,泵的排量向零排量方向调整”,但不一定就会调整到零排量的位置。因为,要到达切断压力,泵的流量至少要满足系统的内泄,不同情况下系统的内泄是不同的,所以压力切断时斜盘不能回摆到零排量。淘液压(公众号taoyeya2014)更认可A11和A4VSO泵样本里的描述“......pump only delivers as much fluid as required by the actuators” 直译为:“(当达到设定压力时)泵只输出执行机构所需要的油液”

如下的曲线的确表明了:当泵口压力达到切断压力时,泵的斜盘回摆到了最小摆角。只是,曲线测试的条件是泵口封死的情况下进行的,此时,外界负载不需要流量,所以泵才回摆到最小排量的。


案例二的分析

1:切断时泵排量越小压力偏差越大
从下图关于A4VSO泵切断时的压力特性曲线可以看出,当泵压力切断时,泵的排量变得越小压力偏差越大,最大不超过3bar的偏差。淘友们可以思考为什么会这样?淘液压(公众号:taoyeya2014)认为:这是由于A4VSO的变量活塞是非对称的,而且是单根弹簧,当压力切断发生时,随着斜盘的回摆,弹簧逐渐被压缩,弹簧力在逐渐增大,此时需要变量活塞大腔控制油压力(泵口压力)相应增加,以平衡弹簧力。


所以,若4台泵的切断压力设定一样的话,当系统压力达到切断压力时,由于上述压力偏差的存在,可能同时两台泵也可能某一台也可能几台同时斜盘回摆,这种回摆是随机的,无法知晓是哪几台的斜盘发生回摆,这样就会发生几台泵之间的相互干扰,从而造成压力的波动,进而发生管路的振动。


2:如何改进呢
根据经验,把几台泵的切断压力设定值调整出一定的偏差,能够较好地解决此问题。通常按照如下规则设定:
p4=p3+5bar
p3=p2+5bar
p2=p1+5bar
蓄能器压力=p4 (4号泵切断压力)



参考文献:博世力士样本

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