液壓系統平衡回路分析

徐成東

液壓傳動因為具有一系列優點而廣泛地應用于起重運輸機械、礦山機械、機床加工等多個領域[1]。在很多場合，工作裝置需要負重做較大距離的升降工作。當重物下降時，會因為自身的重力而加速下行，這樣不僅威脅到人員的安全，還會影響到作業區域機器設備的安全，是絕對不允許的。因此，工作裝置的液壓系統需要設置專門的平衡回路，同為正常的施工作業提供安全保障。此外，當工作需要時，可以通過平衡回路使重物停留在某一位置。因此，平衡回路的作用是防止工作裝置超速下降和實現承重靜止。通常是在回油路上設置節流閥或順序閥，以達到限定執行元件速度（轉速） 的目的，必要時可增設液控單向閥。

1 采用節流閥的平衡回路

在由節流閥構成的平衡回路中，節流閥具有控制回路流量，限制執行元件速度的作用[2]。當換向閥處于右工作位時，液壓缸的小腔進油，大腔回油，活塞縮回，重物隨之下降。如果需要重物停留某一位置，則需要回路具備鎖緊功能，此時可增設一液控單向閥（見圖1）。重物停止運動時，換向閥回歸中位，進油路泄壓，液控單向閥的控制油液也會泄壓，液控單向閥關閉，實現鎖緊，回路處于承重靜止狀態[3]。液控單向閥屬于錐閥式機構，鎖緊性能好。因此，重物的定位精度很高[4]。當重物下降時，進油腔壓力形成，液控單向閥打開，回油路的油液反向通過液控單向閥。

對于該類型的回路，節流閥形成足夠壓力和穩定流量的動態過程時間較長，因此在相當長的時間內，重物處于加速下降狀態，然后才轉為勻速運動。此類回路只適用于對下降速度均勻性要求不高的場合[5]。為了實現重物在靜止時的定位精度，換向閥中位宜采用H 型或Y 型，否則液控單向閥因為控制口油液不能及時泄壓導致閥芯處于開啟狀態，此時隨著換向閥油液的泄露，液壓缸會出現少量的移動，重物也會下降，直至壓力下降到液控單向閥完全關閉為止[6～8]。

圖1 節流閥構成的平衡回路

需要指出，液控單向閥雖然具有鎖緊功能，但是不能限速，不能作為平衡閥使用，這是由其錐閥式結構特點決定的。

2 采用順序閥的平衡回路

順序閥具有自適應功能，可以通過調節開口度，起到限制速度的作用，經常用作平衡閥構成平衡回路。外控順序閥和內控順序閥在構成的平衡回路中有著各自的應用，但兩者有不同的特點。

2.1 采用內控順序閥的平衡回路

在采用內控順序閥的平衡回路（見圖2（a））中，順序閥的調定壓力大于重物的自重在液壓缸下腔所形成的壓力。換向閥處于中位時，順序閥關閉，回路處于承重靜止狀態。當換向閥處于左位時，回油腔和進油腔壓力同時升高，順序閥打開，液壓缸大腔實現回油，重物下落，重物的自重因順序閥開口度所形成的阻力得到平衡。當換向閥處于右位時，油液通過單向閥進入液壓缸大腔，重物上升。這種回路采用M 型機能換向閥，當液壓缸停止工作時，液壓缸上、下腔中的油液被封閉，從而鎖緊重物，還可使泵卸荷，以減少能耗。

對于此類平衡回路，由于順序閥總會存在泄漏，故在長時間停止時，重物仍會緩慢下移。為此，可在液壓缸與順序閥之前增設一個液控單向閥，以減少泄漏影響，提高鎖緊精度 (見圖2（b）)。需要指出的是，為了使重物在懸空停止時保持鎖緊狀態，換向閥的中位機能宜使用H 型或Y型，而不能使用M 型，否則液控單向閥控制油液不能及時卸壓，無法立即實現鎖緊[9]。

內控順序閥用于平衡回路時，其調定壓力是由重物的重量直接決定的。當重物的重量較小時，液壓缸回油腔形成的壓力較小，為了實現重物的下落，進油腔必須形成足夠的壓力，這會帶來液壓系統較大的能量損失。此外，順序閥的調定壓力較大時，其彈簧的剛度較硬，調節性能也會變差[10]。這類回路主要用于工作部件重量不變，且重量較小的系統。例如，用于立式組合機床、插床、鍛壓機床的液壓系統。

圖2 內控順序閥的平衡回路

2.2 采用外控順序閥的平衡回路

在采用外控順序閥的平衡回路（見圖3） 中，順序閥的開啟受進油路壓力的控制，和因重物的重力形成的液壓缸回油腔的背壓并無直接關系，調定壓力較小，因而打開順序閥時液壓缸進油腔的壓力也較小，功率損失較小。如果重物下行速度過快，液壓缸上腔的供油量滿足不了下行的回油量，上腔油液壓力就會降低，隨之順序閥的控制壓力也會降低，閥芯移動，隨著開口度減小，背壓增加，活塞下行受阻，移動速度減慢。順序閥閥芯的開口度能夠隨著進油壓力的變化調整，形成與之相適應的回油流速，起到控制重物下降速度的作用。該類型回路適用于負載變化較大的場合，例如起重機液壓系統的起升機構回路、變幅機構回路等。同樣道理，重物長時間停止時，因為滑閥的泄漏會有緩慢下降。為此，可在液壓缸與順序閥之間增加一個液控單向閥。采用外控順序閥的平衡回路中的換向閥也應使用H 型或Y 型中位。

3 結 語

液壓系統平衡回路在多種場合具有廣泛應用。設計平衡回路時，應首先分析機械設備的用途、功能、工況等。對于速度均勻性要求不高的場合，可采用節流閥構成的調速回路作為平衡回路。如果需要重物停留在某一位置時，可使用液控單向閥作為鎖緊閥。對于采用順序閥的平衡回路，要區分外控和內控兩種型式在用途上的差異；而為了防止靜止重物緩慢下滑，可采用液控單向閥鎖緊，使用液控單向閥時，要合理選用換向閥的中位機能。

圖3 使用順序閥的平衡回路