液壓平衡回路的發展與應用
發布時間：2017-09-01
液壓平衡回路可用于平衡與液壓力作用方向相同的重力負載。當負載下降時，在液壓缸回油腔中產生平衡活塞及運動部件自重的背壓，防止活塞或運動部件因自重超過油泵供油量所能提供的運動速度而出現失速現象，對液壓系統造成較大的沖擊和振動。隨著液壓平衡技術的不斷發展，它已從最初的簡單順序閥平衡回路，發展到今天的專用平衡閥平衡回路，相關元件及回路的性能都在不斷提高。
在平衡回路中，液壓缸有舉重上升、承載靜止和負載下行 3 種基本狀態。平衡回路只在承載靜止和負載下行階段起作用，且應能滿足靜止時活塞能被鎖緊，下行時速度可控[1]，以保證活塞能被鎖定在任意位置。因此，在實際應用中，液壓平衡回路一般與背壓或鎖緊回路緊密相聯，組成平衡、背壓和鎖緊回路。
1傳統順序閥平衡回路
早期液壓平衡鎖緊回路，主要由順序閥與換向閥組成，如圖 1 所示。圖 1(a) 為內控式單向順序閥平衡回路，圖 1(b) 是錐閥結構的外控式單向順序閥平衡回路。在圖 1(a) 中，適當調節順序閥的開啟壓力，使其稍大于液壓缸活塞及其工作部件自重在液壓缸下腔所產生的壓力。當液壓缸下行有超越負載發生時，由于順序閥的作用在液壓缸回油腔產生一定的背壓，防止了活塞及其工作部件超速下降。這種液壓平衡回路在負載下行運動時，能建立穩定的背壓，故工作平穩。但當順序閥調定后，若工作負載減小，則需要增加泵的輸出功率，系統的功率損失將增大，且負載越小，效率越低，導致系統發熱越快，油液溫度升高。另外，滑閥結構的順序閥和換向閥存在泄漏，在承載靜止階段，活塞不能長時間停留在任意位置。因此，該回路不適用于工作時間長，能量消耗大的設備，如工程機械，僅能用于工作負載固定且功率較小的場合。
在圖 1(b) 中，液控順序閥的啟閉取決于控制油口，即液壓缸無桿腔油壓的高低。在活塞下行時，外控順序閥被液壓缸進油路上的控制壓力油打開，液壓動部件因自重而加速下降，勢能得以利用，系統效率較高。但這種回路當運動部件因自重而超速下降時，會造成液壓缸上腔供油不足，進油路壓力消失，外控順序閥因控制油失壓而關閉，關閉后控制油路又會重新建立起壓力，閥再次打開、關閉。由于外控順序閥時開時閉，出現嚴重的“點頭”或“爬行”現象，運動不平穩，產生較大的沖擊振動和噪聲。
2液壓平衡回路的改進
為提高平衡回路的運動平穩性及鎖緊性能，對液壓平衡回路進行改進。
2.1外控順序閥平衡回路的改進
順序閥的基本功能是達到其調定壓力時，閥口就打開，且閥口損失要盡量小。而平衡閥則在超載發生時，使液壓缸回油腔中保持合適的背壓。因此，在某種程度上，順序閥的功能和平衡閥的要求是相悖的。在實踐中，人們從 2 方面入手來提高外控式順序閥平衡回路的性能，如圖 2 所示。圖 2(a) 是通過改善控制壓力的施加方式來提高外控順序閥的性能。在順序閥的控制油路上增加可調節流閥，并將節流閥調到合適開度，使控制壓力油經足夠節流后再施加到順序閥上，使閥緩開緩關，減小由于控制壓力施加過快、過大或波動而引起的液壓缸“爬行”形象，提高回路穩定性。圖 2(b) 是通過改善油缸背壓，使其適應負載變化來提高回路性能。在液壓缸下行回油路上加裝單向節流閥，適當調節其開度，增加回路阻尼，提高液壓缸下行背壓，使負載下行速度穩定。這 2 種外控順序閥平衡回路都具有平衡動態負載功能，若液壓缸活塞因負載增加而加速下降，活塞上腔因供油不足而壓力下降，順序閥的控制壓力就下降，順序閥閥口關小，活塞速度下降，背壓相應上升，平衡重力和負載的作用增強。但液壓缸下行時仍會出現速度忽快忽慢的“點頭”及“爬行”現象，平穩性不及順序平衡回路。
現代專業平衡閥出現以前，在工程機械領域，為克服滑閥結構外控順序閥因泄漏導致靜止支承時間不長的問題，采用專門設計的錐閥結構的限速鎖替換圖2(b) 中的外控順序閥，來平衡起重機等負載變化較大的工程機械[2]，是比較經濟實用的平衡回路。
2.2液控單向閥平衡回路
液控單向閥平衡回路主要用以改善順序閥和單向節流閥的泄漏問題，提高平衡回路在靜止承載階段的長時間鎖緊性能，如圖 3、4 所示。換向閥中位液壓缸停止運動時，依靠液控單向閥的反向密封性，將液壓缸在其行程的任意位置上鎖緊，防止液壓缸及負載因閥泄漏自行下滑。圖 4 中單向節流閥與圖 2(b) 中的單向節流閥的作用相同，起控制活塞下行速度，防止液壓缸下行時產生沖擊和振動。圖 3、4 中液控單向閥均為內泄式，若液控單向閥為外泄式，單向節流閥或單向順序閥也可裝在液控單向閥和油箱之間。
2.3單向節流閥平衡回路
由單向節流閥和 M 機能換向閥組成的平衡回路，如圖 5 所示。由單向節流閥調速，中位承載靜止時由換向閥鎖緊。如用單向調速閥代替單向節流閥，速度穩定性明顯提高[3]，該平衡回路結構簡單，常用于對速度穩定性要求不高、功率不大或功率雖較大但工作不頻繁的定量泵油路中。
2.4內外控結合單向順序閥平衡回路
內外控相結合的單向順序閥平衡回路，將液壓缸進油路壓力和回油腔背壓同時作為順序閥的控制壓力。根據回油腔背壓在順序閥主閥芯上作用方向的不同，可分為 2 種控制方式，如圖 6 所示。
在圖 6(a) 中，回油腔背壓和調壓彈簧力迭加后與液壓缸進油路壓力相平衡，在圖 6(b) 中，回油腔背壓和液壓缸進油路壓力迭加后與順序閥調壓彈簧力相平衡。因此，在圖 6(a) 中，由于下行時背壓作用方向與彈簧力作用方向相同，所以彈簧剛度可以低一些，這樣調壓比較輕便。這 2 種平衡回路，兼具內控式順序閥平衡回路和外控式順序閥平衡回路的優點。圖 6(a)的順序閥閥芯受力平衡方程為
PkAk= P2Ak′+ k (x + x0)。 (1)
式中：Pk為液壓缸進油腔油壓；Ak順序閥主閥芯控制活塞面積Ak′為順序閥主閥芯承壓面積；P2為液壓缸回油腔背壓；k 為調壓彈簧的剛度；x0為調壓彈簧的預壓縮量；x 為調壓彈簧在某一穩定工況下的開口量。
液壓缸活塞受力平衡方程為
PkA1+ W = P2A2。 (2)
式中：A1為液壓缸無桿腔面積；A2為液壓缸有桿腔有效面積。
由式 (1)、(2) 得
設平衡閥設定壓力為 35 MPa，高壓系統額定工作壓力為 25 MPa，則平衡閥調壓彈簧設定壓力為 10MPa，即
相應的回油腔背壓分別為 32.4 MPa 和 2.1 MPa。
在圖 6(b) 中，設有關結構參數相同，平衡閥設定壓力仍為 35 MPa，額定工作壓力仍為 25 MPa，則在額定負載下外控油路控制壓力
在負載為 0 時，油路控制壓力
相應的回油腔背壓分別為 26.5 MPa 和 5.2 MPa。
由此可見，對于高壓系統，由于引入了 2 種控制壓力，平衡回路不論是空載或是額定負載下行，外控制油路上僅需較小的壓力就可以把平衡閥打開，油泵供油壓力相對較小，因此，負載下行時功率損失也較小。與外控式順序閥平衡回路相比，由于順序閥調壓彈簧的調定壓力已經設定，由式 (3) 可知，當順序閥打開后，負載一定時，順序閥的 2 種控制油的壓力也就確定，即回路自動建立穩定的背壓，且背壓始終存在，因此工作比較平穩。
回路中設置單向節流閥仍舊是用于限速，防止平衡閥時開時閉產生“點頭”、“爬行”及振動。
3專用平衡閥平衡回路
在實際應用中，上述各種平衡回路仍然或多或少地存在“點頭”現象，性能還是不夠理想。隨著工程機械尤其是起重機、汽車及挖掘機吊等對液壓技術要求的不斷提高，極大地推動了液壓技術的發展。為使液壓缸動作平穩，已經出現了各種適用于不同工況(如雙向交替超越負載、單向超越負載或液壓缸傾斜振動較小、傾斜振動較大等) 的專用平衡閥，平衡回路的性能也在不斷提高。這些不同負載工況下的專用平衡閥，在原來內外控順序閥的基礎上，一般又引入其他控制油源，且具有不同的阻尼結構。
圖 7 是一種具有特殊阻尼結構的平衡閥，用于具有明顯低頻振動超越負載的場合，可用來克服單向超越負載，也可用于克服雙向超越負載。在圖 7 實線位置，從作油口 B 引入的控制油，經節流閥 6、單向閥 10 快速進 入順序閥 3 的控制腔，打開 P2到 A 的閥口。在順序閥打開、控制壓力 P1降低的同時，經過可調節流閥 5 的控制油繼續進入到順序閥 3 的控制腔，順序閥逐漸轉換到與負載相適應的節流位置，實現平穩開啟。
當順序閥閥芯在干擾作用下往回運動時，受到節流閥的阻尼作用，使閥芯的動作得到緩沖，液壓缸和負載下降動作平穩。當超越負載反向時 (圖 7 虛線位置)，由單向順序閥及其控制油路發揮相同作用。由此可見，專用平衡閥通過在內外控順序閥控制油路上設置多個節流口和方向控制回路，使順序閥閥芯的動作過程受到多種節流阻尼調節作用，從而對閥芯的動作形成了緩沖，防止了因順序閥閥芯啟閉產生的沖擊和振動。該設計既確保了回路的快速反應，又對回路沖擊有緩沖和穩定作用。在負載重且變化大，對穩定性和鎖緊性要求高的超越負載下降機構中應優先選用。另外這種專用平衡閥一般與負載敏感比例多路閥配合應用，以提高其平衡控制性能。
4結語
隨著液壓平衡技術的不斷發展，其應用場合也越來越多。不同用途的工程技術對于液壓平衡回路的性能要求也不同。因此應根據實際情況，選用與之相適應的平衡回路，以滿足實際工程技術的要求。
摘自：中國計量測控網
