一种双级溢流阀、控制方法及液压系统

技术领域

本发明涉及机械工程的机械零件与传动装置和流体控制技术领域，尤其是涉及一种适用于宽温域工况的双级溢流阀、控制方法及液压系统。

背景技术

液压传动技术具有力密度大、标准化程度高、易于实现过载保护等特点，广泛应用于航空航天、船舶、港口机械、工程机械等领域。液压系统压力的稳定是液压能源系统安全运行、精准执行的关键。一般采用溢流阀对液压能源系统进行压力控制，溢流阀是压力控制必不可少的元件。

按结构形式可将溢流阀分为直动式溢流阀和先导式溢流阀两种，其中直动式溢流阀为单级结构，具有相应速度快的特点，一般用作安全阀和先导式溢流阀的先导级；先导式溢流阀最早由美国人Harry Vickers于1931年设计(Harry Vickers.Liquid Relief Valve[P].US2043453,USA,1931),在高压大流量工况下具有良好的工作性能，被广泛使用。然而，无论是直动式还是先导式，在使用过程中均出现调压失稳、高频振动等问题，极大的影响了液压系统的可靠性。学者们对此作了大量的研究，如日本Hayashi提出先导式溢流阀及其液压回路的稳定性与非线性特性分析方法(S.Hayashi.Instability of poppet valvecircuit.JSME International Journal,1995,38(3):357-366)；印度K.Dasgupta介绍一种先导式溢流阀动态特性的建模仿真方法(K.Dasgupta，R.Karmakar.Dynamic analysis ofpilot operated pressure relief valve.Simulation Modeling Practice andTheory.2002(10):35-49)；意大利人Johnston N采用频域分析方法，从流阻方面对溢流阀的稳定性进行了研究(Johnston N,Edge KA and Brunelli M.Impedance and stabilitycharacteristics of a relief valve.Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers Part I:Journal of Systems and Control Engineering2002；216(5):371-382.)；美国人Merrit提出采用阻尼节流器和液容的合理性匹配来改善溢流阀动态性能(H.E.Merrit.Hydraulic control systems[M].John Willy&Sons,1967)。我国学者20世纪80年代以来开始研究溢流阀的动态性能以及阀振动的产生机理，探索如何解决溢流阀稳压偏差大的问题。上海航天局对一种阀芯端部带有平衡活塞的直动式溢流阀进行了研究，结果表明带平衡活塞固定节流器单级溢流阀具有减振、消声、稳压三合一综合功能，可以实现压力的精确控制(訚耀保.带平衡活塞固定节流器单级溢流阀机理与特性分析.上海航天,1995,3:14-17)。同济大学提出了一种极端小尺寸双级溢流阀的稳定性判据，并指出当限于空间尺寸和加工水平而无法增大主阀弹簧腔容积和先导阀芯质量时，可在先导阀与主阀之间设计一个合适尺寸的阻尼孔以提升其稳定性(訚耀保，原佳阳，傅俊勇.先导阀前腔串加阻尼孔的新型双级溢流阀特性.吉林大学学报,2017,47(01):129-136)。华侨大学提出一种使用磁流变先导阀的溢流阀，其采用磁流变液体为先导阀的工作介质，通过调节磁流变先导阀线圈中的电流强度和先导阀弹簧的预紧力来控制溢流阀开启压力，实现调控实时化、自动化、智能化和增大压力调节范围的目的，同时具有响应动作迅速的特点(刘晓梅，李洪友.一种使用磁流变先导阀的溢流阀：中国，CN104633233B[P].2017-10-20)。

中国专利申请202310083477.X提出了一种具有连续三个串联节流孔结构的双级溢流阀，该双级溢流阀包括主阀和先导阀两个部分，其结构如图2所示，先导阀控制主阀的启闭，主阀控制系统的压力，为了增强双级溢流阀的稳定性，在主阀与先导阀之间增加了一个合适尺寸的阻尼孔(13)，阻尼孔(13)与主阀芯节流孔、先导阀固定节流孔构成三串联节流孔结构，使得改进后的双级溢流阀可以在额定流量下稳定的工作，从而改善该双级溢流阀的动态性能。但是，当液压系统处于极端高低温转换环境中时，油液的粘度也会随着环境温度变化而发生变化，此时主阀(4)与先导阀(5)之间的阻尼孔(13)的通流能力就会发生变化，其液阻也会发生变化，进而影响溢流阀的调压稳定性，导致液压系统调压失稳。因此针对极端高低温转换的工况，需要改进该液压系统调压方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于宽温域工况的双级溢流阀、控制方法及液压系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种双级溢流阀，包括主阀、先导阀、连接模块和电子控制单元，所述连接模块包括n个并联的支路，n>1，所述支路的两端分别连通主阀和先导阀，所述支路上设有动压反馈孔和电磁开关阀，各个支路上的动压反馈孔的尺寸不同，所述电子控制单元与各个支路上的电磁开关阀相连。

进一步地，还包括温度传感器，所述温度传感器与电子控制单元相连，所述温度传感器被配置为测量油液的温度。

进一步地，所述温度传感器安装在油箱里并浸没在油液中。

进一步地，所述电子控制单元包括系统电路、驱动电路以及输入、输出接口。

进一步地，所述电子控制单元发送第一信号或第二信号至各个电磁开关阀，所述电磁开关阀被配置为：接收第一信号并处于联通状态，接收第二信号并处于切断状态。

进一步地，各个支路上的动压反馈孔的直径不同。

根据本发明的第二方面，提供一种双级溢流阀的控制方法，基于如本发明第一方面所述的双级溢流阀，包括：

预设置双级溢流阀对应不同工况的工作模式，每种工作模式下一个支路上的电磁开关阀处于联通状态且其余支路上的电磁开关阀处于切断状态；

电子控制单元获取实时工况信息，根据实时工况信息确定工作模式并控制双级溢流阀进入对应的工作模式。

进一步地，所述不同工况为不同的油液温度区间，所述实时工况信息为油液实时温度。

进一步地，所述预设置的多个工作模式中，随工况的油液温度区间升高，电磁开关阀处于联通状态的支路上的动压反馈孔的尺寸减小。

一种液压系统，其特征在于，包括如本发明第一方面所述的双级溢流阀。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明针对宽温域工况下的溢流阀调压失稳问题进行了改进。在调压过程中考虑了温度因素，温度发生变化后，切换至对应尺寸的动压反馈孔进行油液流通，从而在温度变化导致油液粘度变化的工况下使溢流阀保持稳定调压状态，可以适用于更多种极端温度变化的工作环境中并稳定工作，从而解决宽温域工况下的溢流阀调压失稳问题。

(2)将油液温度视为溢流阀调压动态特性的影响因素之一，并有针对性地进行改进，很大程度上减少了宽温域下溢流阀的应用局限性，使得溢流阀可以在极端高低温变换的环境中稳定的工作。

(3)理论上可以设置任意大于零数量的支路及动压反馈孔，来提升液压系统的宽温域下的调压稳定性，扩展性强。

(4)本发明还可以采用插装式集成阀块的结构形式，提升空间利用率。

(5)本发明可以通过调整传感器类型和溢流阀型号，很容易的变换成适用于另一变量下的溢流阀调压方法，比如多种流量、压力工况。

附图说明

图1为本发明实施例中双级溢流阀调压方案的原理图；

图2为本发明实施例中普通溢流阀调压方案的原理图；

图3为本发明提供的双级溢流阀调压在宽温域工况下的输出压力曲线；

图4是普通溢流阀调压方案在宽温域工况下的输出压力曲线。

图中标记说明：

1、液压泵，2-1、本发明的溢流阀调压模组，2-2、普通溢流阀调压模组，3、液压系统负载，4、主阀，5、先导阀，6、电子控制单元，7、温度传感器，8、主阀压力控制腔，9、主阀芯，10、压差节流孔，11、主阀弹簧腔，12、主阀弹簧，13、主阀与先导阀之间的动压反馈孔/阻尼孔(包含13-1、13-2……13-n，各阻尼孔长度相同，但直径不同)，14、电磁开关阀(包括14-1、14-2……14-n)，15、先导阀压力控制腔，16、先导阀芯，17、先导阀弹簧，18、液压油箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于下述的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

中国专利申请202310083477.X提出的双级溢流阀(普通溢流阀)的结构原理如图2所示，在普通溢流阀调压方案中，1为液压泵，2-2为普通溢流阀调压模组，3为液压系统负载，普通溢流阀调压模组2-2包括主阀4和1个先导阀5。当油液流入主阀前腔(主阀压力控制腔8)后，通过压差节流孔10进入先导阀压力控制腔15，然后经由主阀4与先导阀5之间的阻尼孔13流入主阀弹簧腔11。当先导阀压力控制腔15的压力p

基于此，本发明提供一种双级溢流阀，包括主阀4、先导阀5、连接模块和电子控制单元6，连接模块包括n个并联的支路，n>1，支路的两端分别连通主阀4和先导阀5，支路上设有动压反馈孔13和电磁开关阀14，各个支路上的动压反馈孔(13-1～13-n)的尺寸不同，电子控制单元6与各个支路上的电磁开关阀(14-1～14-n)相连。

一种双级溢流阀的控制方法，包括：

预设置双级溢流阀对应不同工况的工作模式，每种工作模式下一个支路上的电磁开关阀14处于联通状态且其余支路上的电磁开关阀14处于切断状态；

电子控制单元6获取实时工况信息，根据实时工况信息确定工作模式并控制双级溢流阀进入对应的工作模式。

本申请中，如图1所示，主阀4与先导阀5之间设置了连接模块，连接模块包括n个并联的支路，每个支路上设有尺寸不同的动压反馈孔13，每个支路上设有电磁开关阀14，由电子控制单元6控制各个电磁开关阀14的工作状态，从而可以在不同工况下选择动压反馈孔13尺寸不同的支路导通，使得主阀4与先导阀5之间的阻尼孔尺寸可以调整，保证压力的稳定性。

可以理解的是，本申请相当于在现有的普通溢流阀上进行了改进，可以通过控制电磁开关阀14的状态调节主阀4与先导阀5之间的其阻尼孔13的尺寸，溢流阀本身的结构或型号并不影响效果，事实上，本申请可以应用于不同型号、结构的双级溢流阀中，只需要保证主阀4与先导阀5之间相连的支路上设有不同尺寸的动压反馈孔13且可由电磁开关阀14控制通断即可。为了便于解释说明，本实施例中以图1和图2所示的双级溢流阀结构对本发明的工作原理进行说明。

电子控制单元6包括系统电路、驱动电路以及输入、输出接口，可以由外部输入控制信号至电子控制单元6，电子控制单元6根据控制信号进行电磁开关阀14工作状态切换，也可以设置温度传感器7，温度传感器7与电子控制单元6相连，温度传感器7被配置为测量油液的温度，并将油液实时温度发送至电子控制单元6，电子控制单元6内置控制程序进行电磁开关阀14工作状态切换。本实施例中，温度传感器7安装在油箱18里并浸没在油液中。

可以理解的是，不同工况为不同的油液温度区间，实时工况信息为油液实时温度。根据所需控制精度以及成本等，可以设置多个温度区间，配合对应数量的支路。每个尺寸的动压反馈孔13对应一种温度区间，在该温度区间内，对应动压反馈孔13的支路处于导通状态(该支路上的电磁开关阀14处于联通状态)，其他支路处于断开状态(该支路上的电磁开关阀14处于切断状态)，主阀4与先导阀5通过该动压反馈孔13进行油液流通；温度发生变化后，切换至对应尺寸的动压反馈孔13进行油液流通，从而使得宽温域工况下溢流阀始终具有稳定的调压状态，从而解决宽温域工况下的溢流阀调压失稳问题。

本实施例中，各个支路上的动压反馈孔13长度相同、直径不同，其他实施方式中，也可以通过调整其他参数，使得动压反馈孔(13-1～13-n)尺寸不同。

电子控制单元6用来控制电磁开关阀14的通断，电子控制单元发送第一信号或第二信号至各个电磁开关阀14，电磁开关阀14被配置为：接收第一信号并处于联通状态，接收第二信号并处于切断状态。本实施例中，电子控制单元6的输出电流具有两种情况，分别对应第一信号和第二信号：①零电流，此时电磁开关阀14的压力油口与工作油口处于联通状态，从而使其对应的动压反馈孔13接入溢流阀调压回路参与控制主阀4的启闭；②正电流，此时电磁开关阀14的压力油口与工作油口处于切断状态，使其对应的动压反馈孔13无法接入溢流阀调压回路，不参与控制主阀4的启闭。

本申请其具体应用如下：

如图1所示，在本发明提供的双级溢流阀调压方案中，1为液压泵，2-1为双级溢流阀调压模组，3为液压系统负载，双级溢流阀调压模组2-1包括主阀4、先导阀5、连接模块和电子控制单6元。首先由温度传感器7检测油箱18内的油液温度，然后将检测到的温度信息转换成电流信号传送给电子控制单元6，电子控制单元6接收到来自温度传感器7传来的电流信号以后进行对比判断，然后根据判断结果输出对应的控制电流给各电磁开关阀(14-1、14-2……14-n)，从而来控制某一个动压反馈孔13接入调压油路。

预设置的多个工作模式中，随工况的油液温度区间升高，电磁开关阀14处于联通状态的支路上的动压反馈孔13的尺寸减小。当电子控制单元6在接受到来自温度传感器7传来的高温电流信号后，向直径较小的动压反馈孔(13-i)所对应的电磁开关阀(14-i)发出联通电流信号，使该动压反馈孔13接入溢流阀调压回路参与控制主阀4的启闭；同时向其余动压反馈孔(13-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)所对应的电磁开关阀(14-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)发出切断电流信号，使其余动压反馈孔(13-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)不参与控制主阀4的启闭；反之，当电子控制单元6在接受到来自温度传感器7传来的高温电流信号后，向直径较小的动压反馈孔(13-i)所对应的电磁开关阀(14-i)发出联通电流信号，使该动压反馈孔接入溢流阀调压回路参与控制主阀4的启闭；同时向其余动压反馈孔(13-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)所对应的电磁开关阀(14-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)发出切断电流信号，使其余动压反馈孔(13-n,n＝1、2……i-1、i+1……n)不参与控制主阀4的启闭。

当油液流入主阀前腔(主阀压力控制腔8)后，通过压差节流孔10进入先导阀压力控制腔15，然后经由主阀4与先导阀5之间的动压反馈孔13流入主阀弹簧腔11。当先导阀压力控制腔15的压力p

本发明针对宽温域工况下的溢流阀调压失稳问题进行了改进。在调压过程中考虑了温度因素，从而在温度变化导致油液粘度变化的工况下使溢流阀保持稳定调压状态。当温度较低时，使直径较大的动压反馈孔13接入先导阀调压油路参与控制主阀4的启闭，其余动压反馈孔13保持断路状态；当温度较高时，使直径较小的动压反馈孔13接入先导阀调压油路参与控制主阀4的启闭，其余动压反馈孔13保持断路状态。本发明可以通过在电子控制单元6中设置多个温度区间判断程序，然后配合对应数量的动压反馈孔13，来保证宽温域工况下溢流阀始终具有稳定的调压状态，从而解决宽温域工况下的溢流阀调压失稳问题。

本申请提供的双级溢流阀调压方案在宽温域工况下的输出压力曲线如图3所示，数据来自于对适用于宽温域工况的电磁溢流阀调压方法的动态数值仿真，输入流量220L/min，油液为46#液压油。图中示出了温度为0℃、20℃、40℃、60℃、80℃时液压系统应用本申请的输出压力曲线。从图3中可以看出，在0℃～80℃温度范围，系统开始建压以后，系统压力在超调以后呈现能量衰减的波动状态，短时间的调节以后系统内压力呈现平稳状态。可以看出，本发明在宽温域工况下均能输出稳定的压力，不会对液压系统的正常工作造成影响。

普通电磁溢流阀调压方案在宽温域工况下的输出压力曲线如图4所示，数据来自于对普通溢流阀调压方法的动态数值仿真，输入流量220L/min，油液为46#液压油。图中示出了温度为0℃、20℃、40℃、60℃、80℃应用普通方案的输出压力曲线。从图4中可以看出，在0℃工况时，系统开始建压以后，系统压力在超调以后呈现能量衰减的波动状态，短时间的调节以后呈现平稳状态；但是在温度为20℃、40℃、60℃、80℃工况时，系统压力在超调以后呈现持续性的波动状态，且该波动幅值随着温度的升高而增大，当温度为80℃时，其波动幅值可达7.14MPa；可以看出，普通溢流阀调压方案不能在宽温域工况下输出稳定的压力。而波动状态下的系统压力不利于液压系统的正常工作，降低了液压系统的可靠性和安全性。

综上，本发明使宽温域下溢流阀调压更为精准、稳定，可以适用于各种流量、压力工况中。因此，相比于现有溢流阀调压方案，本申请可以适用于更多种极端温度变化的工作环境中。

本发明还提供一种液压系统，该液压系统包括上述的双级溢流阀，液压系统所包含的双级溢流阀的数量至少为1个，根据实际需要设置即可。液压系统所包含的双级溢流阀中阻尼小孔的尺寸根据液压系统、主阀和先导阀的参数确定。

实施例2：

本申请通过设置多个具有不同尺寸动压反馈孔13的支路以及通断支路上的电磁开关阀14来实现多级控制，实施例1以温度作为控制变量，从而使液压系统在极端高低温转换的环境中压力稳定在设定的范围，具有提升宽温域下液压系统可靠性的优点。本实施例中调整传感器类型和溢流阀型号，变换成适用于其他变量下的溢流阀调压方案，如流量、压力工况。其基本原理相同，在此不再赘述，本领域技术人员可以理解。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。