平衡回路工作狀況分析與改進

韓志引，趙慶松，劉迅

(濰坊工程職業學院山工機電工程學院，山東濰坊 262500)

平衡回路工作狀況分析與改進

韓志引，趙慶松，劉迅

(濰坊工程職業學院山工機電工程學院，山東濰坊 262500)

對平衡回路和回路中的液壓元件進行分析，敘述平衡回路的3種工況的工作原理，即舉重上升、承重靜止和負載下行，著重分析了承重靜止和負載下行時回路容易產生故障的原因，并提出有效的解決措施。

平衡回路;順序閥;中位機能;單向節流閥;液控單向閥

立式液壓缸及工作部件在運行時，往往因自身重力而自行下落，造成工作部件在運動時速度失控，為了防止這一現象的產生，可在活塞下行的回路上設置能產生一定背壓的液壓元件，阻止活塞下落，并還可以使工作部件在運動時能承重靜止在任一點，這種回路稱為平衡回路 (背壓回路)。作者從平衡回路的作用出發，通過對回路的液壓元件進行分析，特別是對承重靜止和負載下行過程中存在的問題進行分析，糾正了一些不正確觀點，從而為液壓平衡回路的設計提出了有益的建議。

1 常用平衡回路的分析

平衡回路主要有舉重上升、承重靜止、負載下行3種工況，要使立式液壓缸在承重運動時能在任一點上靜止，或在負載下行時，運動部件下行速度可控，承受負值負載的能力好，現針對圖1兩種常見的平衡回路做簡要分析。

圖1 兩種常見的平衡回路

1.1 舉重上升

在圖1(a)所示采用單向順序閥的平衡回路中，當主換向閥 (三位四通電磁換向閥)右位時，高壓油推開單向閥，開始往立式缸下腔輸送，使重物上升，上腔油液受到擠壓，順勢通過管道往油箱中排放，這一工況一般不會出現問題，但由于主換向閥(閥芯為滑閥結構)和普通單向閥泄漏嚴重，使重物上升時，不能按預期的速度和時間到達終點。圖1(b)采用液控單向閥和單向節流閥的平衡回路在這一工況中存在著相同的問題。

1.2 承重靜止

圖1(a)采用單向順序閥的平衡回路和 (b)采用液控單向閥和單向節流閥的平衡回路在這一工況中都會使主換向閥處于中位，泵卸荷，重物靜止。重物通過活塞對液壓缸有桿缸的密封油液施力，利用“背油”把重物支持在某一固定位置。“背油”之所以能產生，是由圖1(a)中的單向順序閥和圖1(b)中的單向節流閥和液控單向閥形成的。這一工況對所有的密封裝置均提出了嚴格的要求，應盡量做到滴油不漏，才能防止重物在靜止時不自然下行。致使重物自然沉降的原因，主要有普通單向閥密封性差和液壓缸活塞部位密封性不良造成的。在工程機械的使用維修過程中，經常由于不能正確判斷，區分造成重物自然下沉的原因，而使故障得不到及時的排除。對此，采用“泄漏觀察法”進行分析，可及時正確查找出故障原因。

比較圖1(a)和圖1(b)，圖1(b)采用液控單向閥和單向節流閥的平衡回路承重靜止性能更好一些，因為液控單向閥是錐面密封，跟圖1(a)中的普通單向閥相比較，泄漏極小，因此圖1(b)的承重靜止性能較圖1(a)好。

并且正確選擇換向閥的中位機能對承重靜止這一工況也起著很重要的作用，換向閥的中位機能應使液壓鎖 (如圖1(a)中的普通單向閥和圖1(b)中的液控單向閥)的控制油液卸壓，以保證換向閥中位接入回路時，液壓鎖能立即關閉，活塞停止并鎖緊靜止不動。圖1(a)換向閥采用M型的中位機能，這種中位機能能使泵及時卸荷，但由于液壓缸兩腔封閉，普通單向閥進口處高壓油仍存在一定的壓力，不能及時卸荷，造成普通單向閥不能及時關閉，直至由于換向閥泄漏使控制油液壓力下降到一定值后，普通單向閥才能關閉，這就降低了承重靜止的精度。圖1(b)K型中位機能也存在著相同的設計誤區，假設圖 (b)重物在舉升過程中需承載靜止，那K型中位機能將液控單向閥進口處的高壓油封閉，這里的高壓油同樣存在一定壓力，得不到及時卸荷，造成液控單向閥不能及時關閉，最后造成的后果同圖1(a)。所以在平衡回路中所使用的換向閥應采用H型或Y型中位機能，如圖2所示。

圖2 H型和Y型中位機能

1.3 負載下行

在負載下行時，希望平衡回路有很好的承受負值負載的能力，運動過程中的速度受控性好，當圖1(a)和圖1(b)主換向閥處于左位工作時，如果回油路上沒有任何的背壓閥，管路連通后，回油腔沒有任何的背壓力，液壓缸活塞在重物的怍用下，就會產生超速下降，為使重物避免超速下降，液壓缸無桿腔應具有足夠的背壓，因此圖1(a)單向順序閥就起到背壓的作用，即調整順序閥的開啟壓力ps，使其與液壓缸下腔作用面積的乘積稍大于垂直運動部件的重力，即可防止活塞因重力下滑，ps至少應滿足:

式中:ps為順序閥的開啟壓力 (即回油腔的背壓力)，Pa;

A2為液壓缸有桿腔受壓面積，m2;

G為重物的重力，N。

圖1(a)若液壓缸無桿腔壓力也為p1，無桿腔的面積為A1，則缸均勻下降的條件為:

式中:p1為進油腔壓力 (無桿腔壓力)，Pa;

φ為缸的往復速比;

pG為負載所建立的壓力，pG=G/A2，Pa;

ps為順序閥的開啟壓力 (即回油腔的背壓力)，Pa。

單向順序閥的開啟壓力就是保證式 (2)的條件。當重物拖動活塞不斷下降時，泵同時通過主換向閥開始往液壓缸無桿腔供油，無桿腔產生一個向下的作用力加上重物自身向下的重力，使回油腔壓力增大，順序閥被開啟，但由于順序閥能起到一定的背壓，所以泵排出來的油液分兩支路排放，一支路通過主換向閥到達液壓缸無桿腔，另一支路通過溢流閥溢回油箱，因此，在某一時間段內，液壓缸上腔油液壓力由于溢流閥的溢流而時高時低，那回油路上的順序閥會時開時閉，從而造成液壓缸的運動不平穩。若工作負載減小，由于順序閥壓力已調定，所以系統的功率損失將增大，效率降低。因此，該回路不適合速度穩定性要求高、負載變化大的場合。

圖1(b)采用液控單向閥和單向節流閥的平衡回路。回路上串聯單向節流閥，用于控制回油腔流量，從而控制了缸負載下行的速度，使其具有良好的承受負值負載的能力，但依然無法保證當負載變化時，執行元件運動的平穩性，因為節流閥出口節流調速回路速度負載特性軟，即節流閥進出口兩端之間的壓力差隨負載變化大，從而無法保證流量的穩定性，缸的運動速度自然無法保證:

式中:q為通過節流閥的流量;

C為由節流閥孔的形狀、尺寸和液體性質決定的系數;

AT為節流口的通流面積;

Δp為節流閥進出口兩端之間的壓力差，在圖1(b)中指的是液壓缸回油腔的壓力;

m為由節流閥孔的長徑比決定的指數。

2 改進措施分析

通過分析現有兩種常見的平衡回路，可得出:圖1(b)較圖1(a)好，但仍存在缺點，即承重靜止時，主換向閥的中位機能應改為Y型或H型;負載下行時，當負載力發生變化時，節流閥的流量不穩定，從而使得重物不能勻速下降。

假設在圖1(b)的基礎上把主換向閥的中位機能改成H型和Y型的，對整個回路來講有益而無弊，如圖3所示。

圖3 中位機能改進后的平衡回路

又由于節流閥用來調速，但其進出口兩端之間的壓力差隨負載變化大，即速度負載特性軟，那可將節流閥換為調速閥，這樣既能控制負載下行時的速度，又能保證執行元件運動的平穩性，這一點完全是由調速閥里的定差減壓閥決定的，如圖4所示。

圖4 流量控制閥改進后的平衡回路

但問題又出現了，雖然解決了速度穩定性問題，但因多了定差減壓閥的功率損失，使得回路功率損失增大，發熱量大，效率降低。

若將圖1(a)里的普通單向閥換成液控單向閥，其承重靜止這一工況改善良好，但其在負載下行這一工況，為使執行元件運動平穩，可在進油路或回油路上安裝能控制流速的液壓閥，產生的問題與圖1(a)的改進措施里所產生的問題相同。

3 結束語

液壓缸平衡回路是一個普通常見回路，在舉重上升、承重靜止這兩工況階段主要問題在于泄漏，但泄漏這一現象很難根除，但可降低。而負載下行這一工況主要是速度的可控性和穩定性，通過分析常見的那兩種回路只適合固定負載，分析改進后的平衡回路可知:用調速閥取代節流閥，在保證了可控性和穩定性良好的前提下，回路功率損失將增大，效率會降低，就像一個事物的產生一樣，有好的一面肯定也有不好一面。

因此，在系統設計中，設計人員應根據系統需求來舍其一，如在一些速度穩定性要求高的小功率系統中和速度穩定性要求不高的大功率系統中，應根據具體情況，正確擬定液壓原理，合理選擇元件參數，分析系統中的變化情況，對于可調元件，應在試驗臺上進行設定，這樣才能保證系統能安全可靠地運行。

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TH137

B

1001－3881(2013)8－143－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.050

2012－03－07

韓志引 (1985—)，女，本科，助教，主要從事液壓與氣壓傳動技術、數控編程與操作及工程機械液壓、液力系統的故障診斷與維修等方向的研究。E－mail:cy7800@yahoo.cn。