CN102661299A - 自重落幅恒功率控制阀和起重机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自重落幅恒功率控制阀，包括：阀套和阀芯，其中，阀芯可在阀套中往复运动，阀芯的第一端连接有弹性部件，阀芯的第二端连接有控制腔，在阀芯上设置有开口，在阀套上设置有节流孔口，在起重机进行落幅动作时，起重机的变幅油缸的无杆腔的一路高压油液通过节流孔口和开口流入回油腔，再通过阀芯的出油口回油箱，无杆腔的另一路高压油液流入控制腔，推动阀芯往阀芯的第一端方向运动并调节开口的开度。根据本发明的技术方案，重物的势能能够被恒功率消耗，从而保证落幅时，重物以一个恒定的速度下落，无需增加额外的信号检测器件，便能调整重物的下落速度。相应地，本发明还提供了一种起重机。

Description

自重落幅恒功率控制阀和起重机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及自重落幅恒功率控制阀和具有该自重落幅恒功率控制阀的起重机。

背景技术

现代液压控制系统，对平稳性的要求日益提高，在起重吊装作业中表现得更为突出。起重机落幅性能好坏，是衡量汽车起重机操控性能的一个重要指标。起重机在施工时，对落幅性能有如下要求：1）微动时落幅启动平稳，无冲击；2）落幅停止时无冲击；3）在落幅过程中运行平稳，无抖动；4）在落幅过程中，重物在垂直方向匀速下落。因此，起重机吊装作业时，要求落幅平稳，实现重物平稳、匀速下落。

对于起重机自重落幅液压系统，为了提高落幅平稳性，通常通过控制电比例变幅平衡阀的电流，只能近似拟合实现重物在垂直方向上的匀速下落，实现平衡阀阀芯开度无级变化，从而控制落幅速度，使重物平稳下落，但重物匀速下落效果不够理想且控制方式复杂。因为在落幅过程中，因大臂幅角的不同，变幅油缸内压力变化很大，在同等开口开度下，落幅速度的差距也非常大。因此，如何实现重物的匀速下落成为落幅控制技术的难题。

发明内容

考虑到上述背景技术，本发明的一个目的是提供一种自重落幅恒功率控制阀，能够实现落幅过程中，变幅油缸无杆腔油液能量的恒功率消耗，从而控制重物的匀速下落。

根据本发明的一个方面，提供了一种自重落幅恒功率控制阀，包括：阀套和阀芯，其中，所述阀芯可在所述阀套中往复运动，所述阀芯的第一端连接有弹性部件，所述阀芯的第二端连接有控制腔，在所述阀芯上设置有开口，在所述阀套上设置有节流孔口，在起重机进行落幅动作时，所述起重机的变幅油缸的无杆腔的一路高压油液通过所述节流孔口和所述开口流入回油腔，再通过所述阀芯的出油口回油箱，所述无杆腔的另一路高压油液流入所述控制腔，推动所述阀芯往所述阀芯的第一端方向运动并调节所述开口的开度。

阀套上的节流孔口与阀芯上的开口配合使用，在起重机进行落幅动作时，两路高压油液分别进入阀芯和阀芯的控制腔，无杆腔压力推动阀芯往第一端方向移动，从而使开口的开度减小，当负载压力不断变大时，该开口正对节流孔口的面积减小，通过弹性部件使阀芯处于稳定状态，任一稳定状态对应一个开口面积，使起重机能够启动平稳、停止平稳、落幅过程平稳以及匀速落幅，即起重机在工作过程中，每时每刻都是处于平稳的状态。

在上述技术方案中，优选地，所述开口的轮廓呈曲线结构。为了使开口的开度能够随着阀芯往第一端方向的移动而减小，可以将开口的轮廓设计成具有弧度的结构，也可以是三角形结构，能够使开口的开度变化的结构均属于本发明的保护范围之内。

在上述任一技术方案中，优选地，所述曲线结构可用如下公式描述：

$y=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\&times;x_0^{\frac{13}{8}}& 0\&le;x<x_0\\ k_1\&times;x^{\frac{13}{8}}& x_0\&le;x<x_1\\ 0& x>x_1\end{array}\right.,$ 其中，以所述阀芯的往复运动方向为x轴方向，垂直于所述阀芯的往复运动方向的竖直方向为y轴方向，在所述x轴方向上，以所述开口的左边沿位置为坐标系原点，x₀≤x≤x₁为所述自重落幅恒功率控制阀的恒功率区域，x为所述节流孔口与y轴之间的垂直距离，y为所述开口的开度，K₁为调整系数。

上述公式描述了开口的曲线结构，不同的压差对应不同的阀芯行程，由于阀芯在不同行程上设置了适当的开口曲线，使得该曲线结构与开口的开度相匹配，从而保证在任意角度落幅时，阀芯所损失的能量趋于定值。

在上述任一技术方案中，优选地，在所述阀芯往所述第一端方向运动时，所述开口的开度减小，那么开口正对所述节流孔口的面积也就减小。当然阀芯的结构并不仅限于上述公式所限定的结构，只需要阀芯在往第一端方向运动时，使开口的开度减小，且能够与高压液压油的压力相匹配，实现落幅过程中的恒功率消耗。

在上述任一技术方案中，优选地，所述弹性部件包括机械弹簧。该机械弹簧能够控制阀芯的运动。

在上述任一技术方案中，优选地，所述弹性部件还可以包括：闭式容腔，所述闭式容腔的一侧连接至所述机械弹簧，所述闭式容腔内封闭有气体，所述闭式容腔的另一侧连接至电比例阀，由所述电比例阀控制所述闭式容腔的体积。

通过调节闭式容腔的体积能够调节整个弹性部件的刚度，即通过机械弹簧与气压弹簧的组合，实现弹簧的变刚度应用，从而实现恒功率点的迁移变换。

优选地，所述弹性部件可以包括气压弹簧。单独使用气压弹簧同样能够控制阀芯的运动，且通过调节气体容积，可调节该气压弹簧的刚度。

在上述任一技术方案中，优选地，还可以包括：至少一个环形阻尼槽，设置于所述阀芯的外表面。该环形阻尼槽使阀芯的表面敷上一层油膜，增加阻尼力，可使阀芯运动更加平稳，实现更为平稳地落幅速度控制。

在上述任一技术方案中，优选地，还可以包括：限位槽，设置于所述阀芯的第一端和/或第二端。该限位槽用于阀芯运动的限位。

本发明的另一个目的是提供一种起重机，能够实现落幅过程中，变幅油缸无杆腔油液能量的恒功率消耗，从而控制重物的匀速下落。

根据本发明的另一方面，还提供了一种起重机，包括如上述任一技术方案中所描述的自重落幅恒功率控制阀。

起重机具有与自重落幅恒功率控制阀相同的技术效果，无需对大臂角度和负载重量进行反馈信号检测，完全实现自适应控制。

根据本发明的自重落幅恒功率控制阀，该阀将变幅油缸无杆腔的压力反馈到阀芯的控制腔，推动阀芯运动，使其开口与压力相匹配，实现落幅过程中，变幅油缸无杆腔油液能量的恒功率消耗。变幅油缸有杆腔与液压油箱相通，无杆腔连接恒功率控制阀的阀芯，通过阀芯上的弹性部件，使其处于稳定状态，同时开口的任一稳态对应一个开口面积，通过压力流量的组合匹配，最终实现恒功率控制，进而实现了起重机的平稳落幅，包括落幅启动平稳、停止平稳、落幅过程平稳以及匀速落幅。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的自重落幅恒功率控制阀的示意图；

图2示出了根据本发明的又一实施例的自重落幅恒功率控制阀的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的阀芯的剖视图；

图4示出了图3所示阀芯的俯视图；

图5示出了根据本发明的又一实施例的阀芯的剖视图；

图6示出了图5所示阀芯的剖视图；

图7示出了根据本发明的实施例的开口曲线的示意图；

图8示出了通过计算验证的阀口特性曲线示意图；

图9示出了通过计算验证的压力阀位移特性曲线示意图；

图10示出了通过计算验证的阀位移流量特性曲线示意图；

图11示出了通过计算验证的阀位移功率特性曲线示意图。

图1至图6中的部件名称与附图标记之间的对应关系为：

102阀套；104阀芯；106节流孔口；108开口；110弹性部件；112控制腔；114无杆腔；116有杆腔；202闭式容腔；204电比例阀；206机械弹簧；304出油口；302环形阻尼槽。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了根据本发明的一个实施例的自重落幅恒功率控制阀的示意图。

如图1所示，根据本发明的实施例的自重落幅恒功率控制阀，包括：阀套102和阀芯104，其中，该阀芯104可在阀套102中往复运动，阀芯104的第一端连接有弹性部件，阀芯104的第二端连接有控制腔112，在阀芯104上设置有开口108，在阀套102上设置有节流孔口106，在起重机进行落幅动作时，起重机机的有杆腔116从油箱中吸油，起重机的变幅油缸的无杆腔114的一路高压油液通过节流孔口106和开口108流入回油腔，再通过所述阀芯104的出油口回油箱，无杆腔114的另一路高压油液流入控制腔112，推动阀芯104往阀芯104的第一端方向运动并调节开口108的开度。

阀套102上的节流孔口106与阀芯104上的开口108配合使用，在起重机进行落幅动作时，两路高压油液分别进入阀芯104和阀芯104的控制腔112，从而将无杆腔114的压力反馈到阀芯104的控制腔112，推动阀芯104往第一端方向移动（在图1中为往左运动），从而使开口108的开度减小，当负载压力不断变大时，该开口108正对节流孔口106的面积减小，通过弹性部件使阀芯104处于稳定状态，任一稳定状态对应一个开口108面积，使起重机能够启动平稳、停止平稳、落幅过程平稳以及匀速落幅，即起重机在落幅过程中，每时每刻都是处于平稳状态。

优选地，在图1所示，弹性部件110为机械弹簧。应当理解，该弹性部件110也可以为气压弹簧。

接着参考图2，图2示出了根据本发明的又一实施例的自重落幅恒功率控制阀的示意图，上述实施例中的弹性部件110还可以如图2所示的结构，其包括电比例阀204、闭式容腔202和机械弹簧206。其中，该闭式容腔202的一侧连接至机械弹簧206，闭式容腔内202封闭有气体，闭式容腔202的另一侧连接至电比例阀204，由电比例阀204控制闭式容腔202的体积，从而调节弹性部件110的刚度，进而实现恒功率阀的恒功率点的调节。

通过调节闭式容腔的体积能够调节整个弹性部件的刚度，即通过机械弹簧与气压弹簧的组合，实现弹簧的变刚度应用，从而实现恒功率点的迁移变换。

下面结合图3和图4来详细说明上述各实施例中的阀芯104的具体结构，图3示出了根据本发明的一个实施例的阀芯104的剖视图，图4示出了图3所示阀芯104的俯视图。

如图3和图4所示，在阀芯104的一端设置了一个开口108，该开口108与阀套102上的节流孔口106之间的相对运动可以调节该开口108的开度。在阀芯104的另一端设置了出油口304，该出油口304较大，无杆腔114的高压油液从该开口108进入阀芯104并从出油口304回到油箱。

优选地，开口108的轮廓可以呈曲线结构。为了使开口108的开度能够随着阀芯104往第一端方向的移动而减小，可以将开口108的轮廓设计成具有弧度的结构，也可以是三角形结构，能够使开口108的开度变化的结构均属于本发明的保护范围之内。

优选地，如图7所示，曲线结构可用如下公式描述：

$y=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\&times;x_0^{\frac{13}{8}}& 0\&le;x<x_0\\ k_1\&times;x^{\frac{13}{8}}& x_0\&le;x<x_1\\ 0& x>x_1\end{array}\right.,$ 其中，以阀芯104的往复运动方向为x轴方向，垂直于阀芯104的往复运动方向的竖直方向为y轴方向，在x轴方向上，以开口108的左边沿位置为坐标系原点，x₀≤x≤x₁为自重落幅恒功率控制阀的恒功率区域，x为所述节流孔口106与y轴之间的垂直距离，y为所述开口108的开度，K₁为调整系数。

上述公式描述了开口108的曲线结构，不同的压差对应不同的阀芯104行程，由于阀芯104在不同行程上设置了适当的开口108曲线，使得该曲线结构与开口108的开度相匹配，从而保证在任意角度落幅时，阀芯104所损失的能量趋于定值。

将图7与图3和图4进行对比可知，图7描述的曲线与开口108的轮廓结构是匹配的，以开口108的左边沿位置为坐标系原点，阀芯的轴线为x轴，当节流孔口106在0到X₀的区间时，开口108的开度最大，且保持恒定的最大开度值，随着阀芯的移动，自重落幅恒功率控制阀的进油口与出油口之间的压差增大，但功率不断增加；当节流孔口106的位置进入x₀≤x≤x₁的区间时，阀芯104进入恒功率区域，在压差增大时，开口108的开度减小，开口108正对节流孔口106的面积不断减小，开度的减小量正好匹配液压油的减小量，保证系统处于恒功率工作状态。

在上述技术方案中，优选地，在阀芯104往第一端方向运动时，开口108正对节流孔口106的面积减小。当然阀芯104的结构并不仅限于上述公式所限定的结构，只需要阀芯104在往第一端方向运动时，使开口108的开度减小，且能够与高压液压油的压力相匹配，同样能够实现落幅过程中的恒功率消耗。

除了如图3和图4所示的阀芯结构之外，根据本发明的阀芯结构还可以如图5和图6所示。

在阀芯104的外表面还可以设置至少一个环形阻尼槽302。该环形阻尼槽302使阀芯104的表面敷上一层油膜，增加阻尼力，也可为阀芯起润滑作用，防止阀芯104震动，进一步使得阀芯104运动更加平稳，实现更为平稳地落幅速度控制。

如图5和图6所示，在该示例中，在阀芯104的外表面设置了四个全周环形阻尼槽302，每组环形阻尼槽302中有一对凹槽。在此，本领域内的技术人员应该理解，环形阻尼槽302的数量和位置并不仅限于图中所示的示例。

需说明的是，上述实施例中的阀芯104还可以包括：限位槽（图中未示出），设置于阀芯104的第一端和/或第二端。该限位槽用于阀芯104运动的限位。

接下来详细说明根据本发明的自重落幅恒功率控制阀的工作原理。

针对现有技术的局限性，提供了根据本发明的自重落幅恒功率控制阀，该阀将变幅油缸无杆腔的压力反馈到阀芯的控制腔，推动阀芯运动，使其开口与压力相匹配，实现落幅过程中，变幅油缸无杆腔油液能量的恒功率消耗。变幅油缸有杆腔与液压油箱相通，无杆腔连接恒功率控制阀的阀芯，通过阀芯上的弹性部件，使其处于稳定状态，同时开口的任一稳态对应一个开口面积，通过压力流量的组合匹配，最终实现恒功率控制，进而实现了起重机的平稳落幅，包括落幅启动平稳、停止平稳、落幅过程平稳以及匀速落幅。

在起重机上，为保证落幅时重物始终以一个恒定的速度下落，可使落幅时重物的势能被恒功率消耗。因此本发明提供了一种恒功率耗散式恒功率控制阀。

首先根据开口压力流量计算公式：

Q=A·C·ΔP^1/2（1），A为开口的开度面积，C为开口流量系数，△P为恒功率控制阀的进出油口的压差（△P=P₁-P₂，P₁为出油口的压力，P₂为进油口的压力）。

根据开口流通功率表达式：

W=ΔP·Q    （2），将（1）式的流量代入（2）式，得到：

W=A·C·ΔP^3/2（3）。

又根据恒功率控制阀的阀体结构及相关尺寸关系得出节流孔口相对开口的位置满足：

$x=\mathrm{\&Delta;p}\&CenterDot;\frac{A_1}{K}$ （4），其中，A₁为阀芯的有效面积，根据（3）和（4）式可以得到：

$W={\left(\frac{K}{A_1}\right)}^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;x^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;C\&CenterDot;A,$ A为开口的开度面积，K为弹性部件的刚度。

根据开口的曲线结构公式： $y=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\&times;x_0^{\frac{13}{8}}& 0\&le;x<x_0\\ k_1\&times;x^{\frac{13}{8}}& x_0\&le;x<x_1\\ 0& x>x_1\end{array}\right.,$ 可知，

在x₀≤x≤x₁的区间，开口的曲线为

根据该曲线可以得到此时开口的开度面积，因此，可以得到式（5）：

$W={\left(\frac{K}{A_1}\right)}^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;x^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;C\&CenterDot;K_1\&CenterDot;{\&Integral;}_{x^{\&prime;}}^{x^{\&prime;\&prime;}}{x}^{\frac{13}{8}}\mathrm{dx}.$

假设节流孔口的直径为0.005毫米，那么映射到x轴上的距离也是0.005毫米，此时开口的开度面积可以以0.005毫米为积分段，此时的开口的流通功率为：

$W={\left(\frac{K}{A_1}\right)}^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;x^{\frac{3}{2}}\&CenterDot;C\&CenterDot;K_1\&CenterDot;{\&Integral;}_x^{x+0.005}{x}^{-\frac{13}{8}}{d}_x.$

根据该公式可知，能够使开口的流通功率保持在恒定值，也就是说恒定消耗重物的功率（重物的功率为P=mgv，P恒定，那么V就恒定），从而使重物匀速下降。

对上述分析置参后可以得到如图8至图11所示的计算验证曲线。从阀口（即开口）特性曲线可以看出，随着阀芯行程的增加（位移大概为1厘米），阀口宽度变小。从压力阀位移特性曲线中可以看出，随着阀芯行程的增加（位移大概为1厘米），有杆腔压力变大。从阀位移流量特性曲线中可以看出，随着阀芯位移的增大（位移大概为1厘米），开口流量变小。从阀位移功率特性曲线中可以看出，随着阀芯位移的增大（位移大概为1厘米），功率在很小的范围内变化（不到20瓦），因此，可以认为该自重落幅恒功率控制阀实现了恒功率控制，恒定消耗了重物势能。

从上述自重落幅恒功率控制阀的控制原理以及自重落幅恒功率控制阀的具体结构能够明确，其进油口与出油口之间形成一个压力差，该压力差与阀芯轴端的弹性部件的弹簧力形成一个动态平衡。因此，不同压差将对应不同阀芯行程，由于阀芯在不同行程上设置了适当开口曲线，该曲线与阀芯开度相匹配，从而保证在任意角度落幅时，阀芯所损失的能量趋于定值。又因为恒功率控制阀所损耗的功率绝大部分表现为重物下落的势能损耗，而重物在水平方向上产生的动能较小，所以恒功率耗散便能有效保证重物在垂直方向匀速下落。

此外，需说明的是，从式（5）中可以看出，自重落幅恒功率控制阀的恒功率控制值与控制弹簧刚度（即弹性部件的刚度）是直接相关的，因此可以通过电比例阀的电磁铁控制闭式容腔内的空气实现对阀芯运动的弹簧刚度调节，从而实现恒功率阀的恒功率点调节。

因此，采用根据本发明的自重落幅恒功率控制阀，在依靠自重落幅时，变幅油缸有杆腔无压力，重物的落幅速度只与控制阀的初始设定功率相关，并且无需对大臂角度和负载重量进行反馈信号检测即可完全实现自适应控制，没有复杂的控制系统，还可通过气囊改变弹簧刚度，从而实现恒功率点的迁移变换。

根据本发明的另一方面，还提供了一种起重机，包括如上述任一技术方案中所描述的自重落幅恒功率控制阀。

起重机具有与自重落幅恒功率控制阀相同的技术效果，在起重机进行落幅动作时，该自重落幅恒功率控制阀将变幅油缸无杆腔的压力反馈到阀芯的控制腔，推动阀芯运动，使其开口与液压油的压力相匹配，实现落幅过程中变幅油缸无杆腔油液能量的恒功率消耗。变幅油缸有杆腔与液压油箱相通，无杆腔连接恒功率控制阀的阀芯，通过阀芯上的运动压缩弹簧，使其处于稳定状态，同时开口的任一稳态对应一个开口开度面积，通过压力流量的组合匹配，最终实现恒功率控制，从而实现了起重机的平稳落幅，该平稳落幅包括落幅启动平稳、停止平稳、落幅过程平稳以及匀落幅等。

在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，包括：阀套（102）和阀芯（104），其中，所述阀芯（104）可在所述阀套（102）中往复运动，所述阀芯（104）的第一端连接有弹性部件（110），所述阀芯（104）的第二端连接有控制腔（112），在所述阀芯（104）上设置有开口（108），在所述阀套（102）上设置有节流孔口（106），在起重机进行落幅动作时，所述起重机的变幅油缸的无杆腔（114）的一路高压油液通过所述节流孔口（106）和所述开口（108）流入回油腔，再通过所述阀芯（104）的出油口回油箱，所述无杆腔（114）的另一路高压油液流入所述控制腔（112），推动所述阀芯（104）往所述阀芯（104）的第一端方向运动并调节所述开口（108）的开度。

2.根据权利要求1所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，所述开口（108）的轮廓呈曲线结构。

3.根据权利要求2所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，所述曲线结构可用如下公式描述：

$y=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\&times;x_0^{\frac{13}{8}}& 0\&le;x<x_0\\ k_1\&times;x^{\frac{13}{8}}& x_0\&le;x<x_1\\ 0& x>x_1\end{array}\right.,$ 其中，以所述阀芯（104）的往复运动方向为x轴方向，垂直于所述阀芯（104）的往复运动方向的竖直方向为y轴方向，在所述x轴方向上，以所述开口（108）的左边沿位置为坐标系原点，x₀≤x≤x₁为所述自重落幅恒功率控制阀的恒功率区域，x为所述节流孔口（106）与y轴之间的垂直距离，y为所述开口（108）的开度，K₁为调整系数。

4.根据权利要求2所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，在所述阀芯（104）往所述第一端方向运动时，所述开口（108）的开度减小。

5.根据权利要求1所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，所述弹性部件（110）包括机械弹簧（206）。

6.根据权利要求1所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，所述弹性部件（110）包括气压弹簧。

7.根据权利要求5所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，所述弹性部件（110）还包括：闭式容腔（202），所述闭式容腔（202）的一侧连接至所述机械弹簧（206），所述闭式容腔（202）内封闭有气体，所述闭式容腔的另一侧连接至电比例阀（204），由所述电比例阀（204）控制所述闭式容腔（202）的体积。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，还包括：至少一个环形阻尼槽（302），设置于所述阀芯（104）的外表面。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的自重落幅恒功率控制阀，其特征在于，还包括：限位槽，设置于所述阀芯（104）的第一端和/或第二端。

10.一种起重机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的自重落幅恒功率控制阀。

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