具有超载保护功能的液压安全阀设计

　　每一种新产品问世时,为了校验其设计是否合理,强度是否满足要求,安全系数是否在规定的范围内,在产品试车前,其中的一项重要工作就是强度实验验证。验证方法通常是利用电液伺服控制系统,通过计算机编程,按照一定的载荷谱,由液压执行机构完成对实验件的加载。在加载过程中,涉及到加载精度和安全问题,这里的安全主要指设备安全和试件的安全。保证设备安全的措施有:在试验方案设计时根据试验所需载荷值选用适当量程的加载设备,不超载、不越限、安装到位、防碰撞、防滑落、防松脱、防卡死等。对于实验件的安全,在有些试验场所显得更为重要,特别是在航空、航天领域、军工产品、大型舰船等项目中,由于其前期投入十分巨大,容不得半点失误,在试验加载过程中,决不允许超载或意外破坏。试件的安全只能通过设备、试验方法和安全措施来保证,作者介绍一种仿真设计的高精度安全阀,它可精确有效地防止加载设备超载,确保试验件不因意外超载而破坏。

　　1　工作原理

　　作动筒的工作原理如图1所示。

　　作动筒的输出拉力为:

式中:F为作动筒输出拉力, N;

　　A1为作动筒拉腔面积,

d为活塞杆直径, m;D为作动筒筒体内径, m;

　　p1为作动筒拉腔工作压力, Pa;

　　p2为作动筒压腔回油压力(背压), Pa;

　　K为作动筒两腔面积比,

　　对伺服液压作动筒来说,其摩擦力很小,可忽略不计,公式(1)中未加考虑。由式(1)可看出,当回油腔压力为零时(式中2=0),作动筒输出力只与工作腔压力和面积关,然而,由于回油管道直径不可能太大,加上局部阻力等因素的影响,作动筒回油腔压力不可能为零,特别是在安全阀突然开启、快速加载、意外卸载等情况下,瞬态回油压力很大。由式(1)不难看出,作动筒的输出力不仅与工作压力有关,而且与其面积比和回油压力有关。而通常为了限制作动筒的最大输出力,采用的办法是在工作压力腔增设安全阀,根据设计中的最大使用输出力,调节安全阀开启压力限定值。但根据前面的分析,仅限定作动筒的最高工作压力,不能精确地保证其最大输出力,特别是当试验规模较大,比如在一个试验情况中,要使用多个不同吨位、不同行程的加载作动筒,这个问题就显得尤为突出。

　　通过分析研究,作者设计了一种安全阀,与普通安全阀的最大区别在于把背压引入安全阀的设计中,普通安全阀只有进油和回油两个工作油口,而新设计的安全阀有工作压力油口、背压油口和回油口3个油口。其原理如图2所示。

　　在图2中,若不考虑阀芯的摩擦力,阀芯的受力可用下式表示: