FD型平衡閥的分析與應用黃國威

李德飛

摘 要：文章對FD型平衡閥的結構和工作原理進行了說明；并通過建立FD型平衡閥的數學模型分析了其根據執行器進口側流量來控制出口側流量的特性；最后對FD型平衡閥應用過程中的幾個問題進行了探討。

關鍵詞：FD型平衡閥；工作特性；數學模型；應用

引言

FD型平衡閥亦稱單向截止型平衡調速閥，屬于流量控制閥的范疇[1]。它有插裝式安裝、SAE法蘭安裝和底板安裝三種安裝方式可供選擇，廣泛應用于冶金機械的液壓控制系統中。在具有負載荷的場合如冷軋機的上、卸卷小車升降和翻卷機傾翻的液壓控制系統中，它被用來防止負載荷引起的執行機構“失控”；在慣性力較大的場合如熱連軋機鋼卷小車行走的液壓控制系統，它被用來避免在控制中出現不希望的前沖[2]；在特定的安裝位置，FD型平衡閥還可以在系統失壓時起到安全閥的作用。

1 FD平衡閥的結構與工作原理

FD 型平衡閥的結構及元件符號如圖1所示，由閥體①、主閥芯②、先導體③、控制閥芯④、阻尼閥芯⑤，阻尼孔⑥和控制腔⑦、⑧、⑨組成。接入系統時，油口A與壓力源連接，油口B與負載端連接。

當油液流動方向為A-B時，液壓力克服控制腔⑧中的彈簧力及負載力將主閥芯②打開，A-B自由流動。若FD型平衡閥緊靠執行機構安裝，在A側失壓（例如方向閥至油口A的連接管路爆裂）時，由于控制腔⑧通負載壓力，則主閥芯②在負載壓力和彈簧力的作用下復位，A-B通道關閉且無泄漏，執行機構定位。此時，FD型平衡閥起到安全閥的作用。

當油液流動方向為B-A時，A口通過換向閥與油箱相連，則必須保證控制油口X有足夠的先導控制壓力推動控制閥芯④打開主閥芯②，實現B-A的連通。FD型平衡閥的先導比一般為20：1，當X口壓力達到負載壓力的二十分之一時，控制閥芯④首先推動先導體③升離閥座向右移動，切斷B油口與控制腔⑧的連通，同時控制腔⑧中的壓力油經其內孔和油口A卸荷，主閥芯②釋壓。此時，控制閥芯④右端面緊頂主閥芯②，左部凸臺接觸阻尼閥芯⑤。至此，打開B-A通道即打開主閥芯而所需在X口建立的壓力完全取決于控制腔⑨中的彈簧力。B-A開口面積的逐漸增加是靠主閥芯②的控制棱邊逐漸打開其閥套上的小孔來實現的。X油口控制壓力、B-A的通流面積及B-A之間的壓差決定了從平衡閥通過的流量即執行機構的排出流量，而這本身取決于執行器另一側的進口流量。目前，大部分廠家生產的FD型平衡閥打開B-A通道的初始壓力為2 MPa，完全打開需要5-6 MPa。

2 FD型平衡閥數學模型及特性分析

下面結合圖3所示的某一升降機構液壓系統建立FD型平衡閥的數學模型對其根據進入執行機構進口側的流量來控制出口側流量的特性進行分析（分析過程未考慮液動力和泄露）。

控制閥芯4的受力平衡公式：

（1）

液壓缸活塞上的力平衡公式：

（2）

執行器的出口流量公式：

（3）

△T時間內動態容腔V1壓力增量方程：

（4）

式中各符號的意義：P1-控制油口的壓力即執行機構進口側壓力；PAZ-平衡閥差動控制活塞桿腔壓力；AAS-平衡閥差動控制活塞塞腔面積；AAZ-平衡閥差動控制活塞桿腔面積；mx-控制閥芯質量；Bx-控制閥芯粘性阻尼系數；Kx-控制腔⑨彈簧剛度；K-負載彈簧剛度；AG-執行機構有桿腔作用面積；AH-執行機構無桿腔作用面積；FL-負載力；ρ-油液密度；M-活塞及負載折算到活塞上的總質量；Bz-活塞及負載粘性阻尼系數；W-主閥芯節流口面積增益；P2-執行機構出口側壓力；P0-回油壓力；Ee1-V1內油液等效體積彈性模量；Cd-流量系數；Qc-執行器出口側流量；QP-執行器進口側流量；V1-換向閥出口A至執行機構有桿腔和平衡閥控制活塞處形成的動態密閉容腔總容積。

根據以上建立的數學模型，當系統處于某一穩態，執行機構勻速下降時，因為執行機構的運動粘性阻尼很小，可忽略不計，并視負載為慣性負載且回油壓力P0為零。等式（1）和（2）可表示為：

（5）

（6）

其中Ad表示平衡閥差動控制活塞等效作用面積。

聯立公式（3）、（5）和（6），可得：

（7）

由公式（7）可知，當系統處于某一穩態，執行機構的出口流量QC由P1決定。根據公式（4），P1在△T時間內的變化量由△T時間內進入動態容腔V1的油液體積和活塞運動所造成的動態容腔V1的容積增量兩者之差決定。系統處于穩態時，進入動態容腔V1的油液體積和活塞運動所造成的動態容腔V1的容積增量兩者相等，P1保持不變。當Qp突然增大，因為活塞反應存在滯后，仍保持原運動速度，則穩態被打破，導致P1增大，P1增大使出口流量QC也跟隨變化，系統進入新的穩態下運動，新穩態下執行機構的運動速度因為進口流量QP的增大比前一個穩態時要大，反之亦然。

若負載為彈性負載，則執行機構出口流量為：

（8）

當系統處于某一穩態，出口流量QC與慣性負載系統相比除與P1相關，還受到負載剛度K和負載位置Z的影響，出口側流量不完全取決于進口側流量Qp。因此，FD型平衡閥在彈性負載系統中的控制性能不如慣性負載系統。

從閥環節來看，在FD型平衡閥主閥芯打開的過程中，負載力不對平衡閥的控制產生影響，閥的開口僅由控制壓力和彈簧剛度來決定，這是FD型平衡閥區別于其他一些平衡閥的一個特點。

3 FD型平衡閥應用中一些問題的探討

FD型平衡閥的特點決定了它應用的廣泛性，在其應用中存在一些需要注意的問題，下面就這些問題進行一些探討。

FD型平衡閥的安裝位置。FD型平衡閥安裝在有負載荷需要平衡的回路中，當系統中存在軟管連接時，平衡閥盡可能地放在執行機構與軟管之間，在軟管爆裂時保證系統的安全性。另外，一些對位置精度有要求的系統，如冷連軋機的上卷小車升降系統，由于系統中軟管長度長且負載壓力大，負載壓力可能造成軟管形變進而影響執行機構的位置精度。當平衡閥緊靠近執行機構安裝可以消除這種影響。endprint

單向節流閥和平衡閥共用的系統。FD型平衡閥的主要功能是防止負載荷引起的執行機構的“失控”，在一些要求執行機構速度可調的系統中，有可能出現單向節流閥與平衡閥共存的情況，單向節流閥位于換向閥與平衡閥之間，這種情況要注意單向節流閥的安裝方向。在對系統調速有要求的系統中，一般采用進口節流的方式來進行速度控制，如圖3-（A）所示，進入液壓缸有桿腔的流量由節流閥調節控制。若采用如圖3-（B）所示出口節流的方式，則在無桿腔與換向閥之間出現平衡閥和節流閥兩次節流，兩者功能重疊，單向節流閥在平衡閥A口建立起來與通過流量和節流閥開口面積相關的壓力，影響平衡閥的控制性能。

有機械強制同步的兩缸或多缸系統，不能每一個油缸分別使用單獨的FD型平衡閥來進行控制，如圖4（A）所示；平衡閥應安裝在公共油路上，在每缸出口處可以設置液控單向閥來提高系統的可靠性，如圖4（B）所示。由分析可知，平衡閥節流口開度的大小是由控制壓力的大小決定的，因此，控制壓力和平衡閥節流口前后壓差決定了從油缸排出的流量。當采用圖4（A）的連接方式時，由于管路布置和其他方面的差異，很難保證在每個平衡閥上都保持相同的閥口開度和壓差，導致兩缸的出口流量不同，這與機械強制同步兩者之間產生矛盾，產生“別勁”的現象，對設備造成破壞。

與液控單向閥組合使用。在一些場合，可能出現液控單向閥與平衡閥共存的回路，在元件選型時要注意負載、液控單向閥與平衡閥三者之間的匹配，否則可能會出現平衡閥失效、下降時執行機構爬行的現象。

如圖4（B）所示，在初始狀態，無桿腔內的壓力為負載壓力PL，打開液控單向閥所需的壓力為：

P1>PL*？追 （9）

其中，Ψ為液控單向閥的負載壓力作用面積與控制油作用面積的比值。如果負載壓力較大或者Ψ較小，則液控單向閥所需的開啟壓力P1會上升，而FD型平衡閥的初始開啟壓力一般為20bar，全部開啟時壓力為50-60bar。當P1大于一定數值時，當液控單向閥開啟時平衡閥已經全部或部分打開，失去其調節作用，平衡閥可能失效。液壓缸也可能會出現爬行下降的現象。因此，選型時要核算負載、液壓鎖與平衡閥三者之間的關系。

4 結束語

文章通過建立FD型平衡閥的數學模型說明了其進口流量決定出口流量的控制特性及特點，并結合實踐經驗對FD型平衡閥的安裝位置及其與常用控制閥組合使用時可能出現的問題進行了探討，對FD型平衡閥的工程應用具有一定的理論和實用價值。

參考文獻

[1]馮國光.FD平衡閥在變載機構中的應用[J].上海冶金設計，1999（1）：29-30.

[2]張海平.螺紋插裝閥介紹之二-平衡閥[J].流體傳動與控制，2006（5）：37-38.

[3]李肇震，曹蘇民，林建亞.平衡閥動態性能研究及改進措施[J].浙江大學學報，1988：162-163.endprint