溢流阀的动态特性与测试探究

溢流阀的动态特性（Transient characteristics）可以从多个角度来考察：超调（overshoot）、响应时间、稳定时间等。

1.超调

（1）超调的原因 使用普通溢流阀，在系统压力未达到阀的开启压力，也即系统压力未超过弹簧预紧压力时，溢流阀阀芯不动。直到系统压力超过弹簧的预紧压力，阀芯被顶开后，才开始溢流。但是，阀芯需要一定的时间才能运动到需要的位置，因此，在此期间，系统压力继续上升，造成瞬间的压力超调（见图2-23、图2-24）。

（2）超调的后果 溢流阀的设定值通常接近系统中其他部件，如泵、缸、管道和其他阀的许用压力。这样可以尽可能地利用各部件的能力，以达到最高的效率。如果超调很大就可能引起那些部件过早损坏。

材料学的研究表明，导致材料失效的是加载强度与负载变化幅度的综合作用（见图2-25）。

图中横轴为平均加载强度，竖轴为负载变化幅度。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，如果负载变化幅度较低，材料就可以承受一个较大的载荷。所以，降低压力超调对系统是十分重要的。

图2-23 某个直动型溢流阀的瞬态响应曲线

图2-24 一个先导型溢流阀的瞬态响应曲线

（3）影响超调的因素 超调主要由两个因素决定：

1）溢流阀的响应时间。

2）系统压力的上升梯度。

超调大致为溢流阀的响应时间与系统压力的上升梯度之乘积。溢流阀的响应时间越长，系统压力的上升梯度越高，超调就越大。

图2-25 正弦加载破坏试验示意图

A—纯动态 B—纯静态 C—较动态 D—较静态 F—持续工作区 S—破坏区

而系统压力的上升梯度又取决于输入流量、液压油的弹性模量和系统容积。大致有这样的关系：

系统压力上升梯度=q_VK_S/V

式中 q_V——输入流量（L/min）；

K_S——液压油的弹性模量（MPa）；

V——系统容积（L）。

假定一个系统的输入流量为100L/min，该系统中被溢流阀所保护部分的容积为2L，矿物油的弹性模量通常为700～2000MPa。若按1400MPa估算，则该系统的压力上升梯度为

100L/min×1400MPa/2L≈1MPa/ms

溢流阀的响应时间一般约为2～20ms。若按10ms计算的话，则该系统管路中的压力峰值就要高于开启压力约10MPa。这无论对泵、阀还是管路，都是一个不可忽视的冲击。

影响溢流阀的响应时间的因素很多：阀芯及弹簧的惯量、摩擦力、开口的水力周长、为保持开启稳定而加入的阻尼等。制造厂通常以降低内阻尼、减少滑阀的开口覆盖量来缩短响应时间，但稳定性也可能相应降低。

理论上来说，锥阀较滑阀快一些，直动式比先导式快一些（见图2-23，图2-24）。

增大容腔、使用软管或蓄能器，可以降低系统压力的上升梯度。

2.开启后的稳定性

溢流阀在开启后一般都有相当的噪声。这是因为大量高压流体通过窄小的间隙，以高速冲出，伴随着涡流和气蚀造成的。噪声很难完全避免。只是，有的尖锐刺耳，有的低沉混沌，这与出口流道的形状有关。哪些可以接受，要视应用及环境而定。用作常开的控制阀时，当然希望噪声越低越好。但若用作安全阀，并且希望同时起报警器的作用，则尖锐刺耳也许就是一个优点了。

有的溢流阀，在开启后由于不稳定，噪声高达90dB以上，根本无法忍受。其可能的原因是，调压弹簧太软，或阻尼太小。这样，在压力升高，推开阀芯时，阀芯由于惯性过冲，开口过大，导致压力下跌过多而使阀芯又下降，关小开口，引起压力再度升高。周而复始，阀芯一直停不到一个稳定的位置。

油温较高时，由于粘度下降，阻尼作用会减弱，会对稳定性带来不利的影响。

有些尚未使用过的溢流阀，其弹簧腔内还含有空气，阻尼作用很差，也容易出现不稳定状态。如果预先让压力介质充满弹簧腔，在开启时产生阻尼，就能迅速进入稳定状态。

总体上来说，不稳定是不能接受的，应由供货商负责无偿更换。

阀生产厂在原型开发时，应在整个压力调节范围、流量范围、许用油温范围内，对不同工况的组合，作广泛的測试。

在某些应用场合，可以选用带较大阻尼的阀，以获得较好的稳定性，参见2.2.5节。

3.瞬态响应特性测试

（1）测试回路 可以参照图2-26搭建（参见ISO 6403：1988和GB/T 8105—1987）。图中：

1—液压源。最好不要用变量泵，以避免变量机构的动态响应特性影响测试结果。

2—系统溢流阀，仅作安全保护用。设定值必须显著高于测试范围。测试过程中不应溢流，否则会降低系统压力上升梯度。

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图2-26 瞬态响应特性测试回路

3—旁路阀。其中3a是加载用，必须是快速响应阀，否则无法得到足够的系统压力上升梯度。3b用于控制可外控型溢流阀（见2.6.1节和2.6.3节）的先导腔压力，这部分回路要随被测阀的类型不同而相应改动。

4—温度计。

5—压力传感器。响应特性要优于5000Hz。

6—被测阀。

7—流量计。若流量已知，则可拆除，或移至被测阀的回油管路，以减小管道容积。

8—节流阀。调定初始压力用。

9—零流量显示。用于监控测试时是否有液流旁路，可以是一个量杯或普通容器。

10—快速记录仪。若采用数字式，则采样时间要短于0.2ms。

（2）测试过程

1）准备阶段。①把压力传感器输出p₅接入快速记录仪。②启动液压源。使油温达到预定值。③被测阀6调到某个开启压力。④旁路阀3a开路。利用节流阀8调定初始压力，应接近但不超过被测阀6的开启压力。

2）测试步骤。①测试开始时，从液压源1输入的流量经过旁路阀3a直接回油箱，被测阀进口压力p₅低于开启压力，被测阀6关闭。②快速关闭旁路阀3a，p₅迅速升高，开启被测阀6。经过一段时间，p₅趋于稳定。记录压力p₅的瞬态变化过程，就可了解被测阀的瞬态特性。③若被测阀的先导腔压力是可外控的，此时可以快速接通旁路阀3b，使被测阀6卸荷。p₅迅速降低。就可以测得该阀卸荷时的瞬态特性。

（3）测试条件分析 虽说ISO6403给出了测试方法与条件，但很多国际知名的生产厂都不执行此标准，因为其中有些条件不容易实现，有些定义是错的。

1）系统压力上升梯度。为了减少测试系统对测试结果的影响，系统的压力上升梯度必须远高于被测阀的响应梯度。为了在不同系统下测得的数据有可比性，ISO6403要求系统的压力上升梯度必须是被测阀的响应梯度的10倍。但从下例可以看出，这一点并不容易实现。

因为，在旁路阀3a的关闭时间近乎为零时，系统压力上升梯度=输入流量×液压油的弹性模量/系统容积；所以，系统容积应该小于输入流量×液压油的弹性模量/要求的系统压力上升梯度。

图2-27为某一溢流阀的实测曲线。从中可以看出，在压力超过稳态压力，即溢流阀开启后的系统压力上升梯度约为8MPa/ms。按ISO6403要求，系统压力上升梯度就要超过80MPa/ms。

图2-27 某一溢流阀的实测曲线

A—超调 B—稳态压力

输入流量为100L/min，液压油的弹性模量为1400MPa时，系统容积必须小于100L/min×1400MPa/（80MPa/ms）≈0.03L=30mL。

这一容积指从泵的压力出口，经出口管道，到被测阀6的进口，包含到安全阀2及旁路阀3a的分支管道的全部容积。如采用内径为15mm的管道的话，所有管道总长不超过15cm。这几乎是不可能实现的。

2）加载阀响应时间。ISO6403还要求加载阀3a的动作响应时间不得超过被测阀的响应时间的10%，最大不得超过10ms。很少有阀能做到这一点。

所以只好是：被测阀6、安全阀2及旁路阀3a尽可能地靠近泵出口，旁路阀3a的关闭时间也尽可能地短。然后在同一测试系统下比较不同的阀。

用户自己用快速响应的压力传感器，对自己的系统测试，是最反映实际情况的。

（4）被测阀响应时间分析ISO 6403：1988（GB/T8105—1987）给出了各项指标的定义（见图2-28）。

图2-28 GB/T8105—1987对溢流阀响应时间的定义

其中，关于响应时间的定义值得商榷。图2-29图示了压力升高及溢流阀开启的过程。图中，曲线p是溢流阀进口的压力，曲线x是溢流阀阀芯的位移。在系统压力即溢流阀进口压力达到溢流阀的开启压力p_s之前，溢流阀根本不会开启，因此，时间t₁仅反映了系统的动态响应特性，与溢流阀的响应特性根本无关。压力上升梯度在t₁后较t₁前要低，因为溢流阀开启了。

即使考虑到某溢流阀有较大的调压偏差，即，通过较大测试流量时的稳态压力要明显高于开启压力p_K（见图2-30）。则，当系统压力达到溢流阀的开启压力（A）之前，溢流阀是完全关闭的。而由于溢流阀芯的惰性，直到某个时间点B溢流通道才被完全开启。那也只有从A到B才真正是被测阀的响应时间。只是，这个时间点B可以纯理论地定义，却很难实际确定，除非安装了阀芯位移传感器。

一些公司在产品样本中给出了平均响应时间，但却没有或不愿告知，是根据什么标准，在怎样的条件下测得的。

也许，可以考虑用超调和系统压力上升梯度一起来衡量溢流阀的响应特性，因为超调比较容易确定，控制超调也是溢流阀的最终目的。如果测不到超调，则说明系统压力上升梯度太低，必须设法提高。

图2-29 系统压力升高及溢流阀开启的过程（IFAS）

p—系统压力 x—溢流阀开口 p_s—开启压力 x_s—开口稳态值

图2-30 考虑调压偏差时的响应时间

p_K—开启压力

对于溢流阀生产厂来说，它不知道它的阀将用于怎样的系统，因此，必须要给出一些普遍适用的指标，就会遇到上述问题。

但对于用户而言，他知道这个溢流阀将用于某一具体系统，那测试就简单得多。可以根据此系统可能有的容积-压力上升梯度来搭建测试系统，以实际系统使用的换向阀来加载，就可以得到在此系统中可能出现的超调，从而研究相应对策。