杭州安肯液压技术有限公司

使用普通溢流阀，在系统压力未超过阀的开启压力时，系统压力的上升速率完全取决于系统状况。直到系统压力超过阀的开启压力后，溢流阀开始打开，情况才有所改变。但由于溢流阀需要一定的响应时间(影响因素：主阀芯及弹簧的惯量、摩擦力、开口的水力周长、先导阀的性能、为保持开启稳定而加入的阻尼)，在此期间，系统压力继续上升，造成瞬态的压力超调。系统压力的上升速率越高，压力超调越大。这一压力超调可能引起接头泄漏，及部件由于高动态负载而导致的过早损坏。

本文要介绍的新型阀特点是，初始开启压力小于设定压力约10MPa，一旦系统压力达到初始开启压力，它就开始溢流，同时，开启压力自动匀速上升，约过300ms 后，才达到设定压力。这样就有效地消除了压力超调，限制了系统压力的上升速率，从而降低了作用在机械部件上的力变化率，即应力突变。应力突变减小后，就可增加系统压力，而不加重机械部件的综合载荷。

该阀为先导型座阀，被设计成使用SUN 标准螺纹插装孔型，与SUN 其他普通二通型溢流阀的名义流量和流通方向相同，可以方便地替换。

一、力变化率

如所周知，速度是位移的一次导数，加速度是位移的二次导数。而因为力与加速度成正

比：F = ma，所以力变化率 dF/dt = m da/dt，即与加速度的导数同级，所以力变化率可看作位移的三次导数。

材料学的研究表明，导致材料失效的是应力强度与力变化率的综合作用(图1)。

F-持续工作区域, S-破坏区域

图1 铸铁件正弦加载破坏试验的Haigh 曲线

图1 中横轴为平均加载强度，竖轴为负载变化的幅度，与力变化率成正比。A 点为纯动态载荷，B 点为纯静态载荷。现实中的工作状态介于两者之间。从该图中可以看出，如果加大静载荷，降低负载变化幅度，也即降低力变化率，即从一个“较动态”的点C 移至“较静态”的点D，则还是在持续工作区域。这对液压系统意味着，可以增加系统压力而不引起机械部件破坏。这就是使用这一新型“软溢流阀”的效果。

当然，该阀可以降低的仅是由于液压引起的(如换向阀)压力变化，或可转化为液压力的那些载荷变化，如作用在液压马达上的载荷变化引起液压系统压力的变化。

二、阀的工作原理

A-主阻尼孔 B-减振阻尼孔 C-泄流阻尼孔 D-定量阻尼孔

E-主阀套 F-主阀芯 G-带主弹簧的主阀腔 H-可滑动先导阀套

I-调节螺钉 J-阀体 K-先导腔溢流阀 L-带先导弹簧的先导腔

M-卡环 N-先导阀 O-先导弹簧压缩腔 P-先导阀套的尾端

图2 “软”阀原理结构图

如SUN 其他阀一样，该阀的阀体J 与主阀套E 仅由卡环M 连接，即浮动设计，以降低在阀孔各台阶不同心时阀芯被卡死的可能性。

该阀如一般双级溢流阀，通过从通口2 溢流来限制通口1 处的压力。在先导阀N 未打开时，主阀腔G 的压力与通口1 处相同。当此压力超过先导阀N 的开启压力后，液流从通口1 经主阻尼孔A 和减振阻尼孔B 流入先导腔L。这一先导液流在主阻尼孔A 两边造成压差，推动主阀芯F，作用于主弹簧，当此力超过主弹簧的预压力后，就打开主阀，液流从通口2 流出溢出。这一过程与普通先导溢流阀相同。该阀的特点在于，当液流进入先导腔L 后，先导阀的开启压力会自动增加。之所以会如此，是因为一股液流会经过定量阻尼孔D，从先导腔流入处于调节螺钉I 与可滑动先导阀套H 之间的先导弹簧压缩腔O，推动先导阀套H，从而压缩先导弹簧。

先导腔L 本身还附有一个小的溢流阀K，它把先导腔的压力限制在3.5MPa 左右。这就保证了定量阻尼孔D 两边的压差恒定，从而使先导阀套H 的滑动速度恒定，使先导压力的增加速率不受设定压力和流量的影响(图3)。

在先导压力增加时共有三股液流。第一股从先导腔L 经过泄流阻尼孔C，流到通口2。第二股经先导腔溢流阀K 流出。第三股经过定量阻尼孔D，这股液流决定了先导阀开启压力的增加速度。当可滑动先导阀套H 的尾端P 移动到被挡住时，开启压力达到上限。此上限可以通过调节螺钉I 改变。调节螺钉I 的位置不但决定了阀的开启压力的上限(设定压力)，而且通过限制滑动阀套开始移动的位置，也确定了开启压力的下限。此下限被称为阈值。

图3 不同设定压力时，开启压力的上升过程

由于先导阀套可移动的距离是固定的，所以设定压力与阈值之差也是固定的(图3)。

三、性能实测

从图4 可以看出，普通阀(左图)有一个很明显的压力超调，特别是在流量较大时(10GPM =40L/min)，达到约170%。在相同的试验条件下，“软”阀则根本没有超调(右图)，同时也大大降低了压力超过阈值后的上升速率。

图4 普通先导型溢流阀与“软溢流阀”的阶跃响应比较

从图4 中也可看出在该阀复位(关闭)时压力变化的情况。先导液流中断后，先导阀的开启压力回复到阈值。在阀套复位时，腔O 中的液体必须通过定量阻尼孔D 回到先导腔，因此复位的速度取决于定量阻尼孔D 的通径。

泄流阻尼孔C 的直径要实际可行的尽量小(0.5mm)，以降低先导溢流量。在主阻尼孔前装有滤网可以避免这三个阻尼孔堵塞。

四、系统压力介于阈值和设定压力之间

A - 设定压力21MPa。 B - 21MPa 时的阈值

图5 先导流量在不同设定压力时随系统压力变化的情况

当系统压力在阈值和设定压力之间时，先导液流约为15 至40cc/min(见图5)。它足以在先导腔建立压力，但不足以打开主阀，主阀处于将开未开状态，开启压力被从阈值增高到系统压力。当通口1 的压力上升速率超过先导阀开启压力的上升速率(约0.03Mpa/ms)时，通过主阻尼孔的先导液流所造成的压差就足以打开主阀，从而减缓系统压力的变化。

五、静态性能

“软溢流阀”是一先导型座阀。一般而言，先导型的流量压差曲线较直动型的为平坦。在座阀中液流从端面流入，侧面流出，液动力较大，趋向使阀芯关闭，导致流量压差曲线较滑阀型为陡。“软溢流阀”也不例外。“软溢流阀”还有一个自身特有的问题。在先导腔内为“软开启”所需的压力会影响先导阀的开启压力。理论上来说，该腔的压力由于附加的先导腔溢流阀而可以保持恒定在3.5MPa，但实际上这个小溢流阀也有它自身的流量压差特性，因此先导腔压力也会随先导流量增加而增加，从而使整个阀的流量压差曲线变得略为陡些。

图6 “软”阀系列2(RPGT，名义流量200 L /min)的流量压差实测曲线

六、应用

“软阀”已被成功地应用在若干应用场合中。

应用场合之一，定量马达的启动回路中。在液压马达回路中采用昂贵的比例换向阀，常常只是因为比例换向阀可以逐渐开启，从而减缓其加速或减速。附加了“软溢流阀”后，就可使用便宜得多的开关换向阀，因为“软”阀可以保证负载的平缓启动。在大型减速器中，使齿轮在传递大负载前先软啮合。

“软”阀的另一个重要用途是保护液压泵和马达，避免受到压力突增。这特别适用于变量柱塞泵，因为此类泵比较昂贵，而变量机构对于突变的负载常常反应过慢。

在某些应用场合中，可以使用该阀替代减振蓄能器。优点是在阈值至设定压力这一范围内有同样效果，但无须蓄能器的维护成本。缺点是由于泄漏带来的能量损失，不象蓄能器中的能量可以返回系统。同时，泄漏也意味着液压缸可能会缓慢移动。

由于该阀的出口(通口2)也可承受满载压力，所以也可用于载荷换向的次级回路，或在闭式回路中，以减小换向时的力变化率。

除了这里介绍的系列2 RPGT 外，其他系列和变形也正在研制和试验中。

小结

软溢流阀的主要优点：

- 无压力超调；

- 使压力缓慢上升从而减小机械部件的动态载荷；

- 与 SUN 普通型相同阀孔，相同流通方向，可直接代替；

- 全流量；

- 可用于交叉溢流。

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