平衡回路工作状况分析与改进

韩志引，赵庆松，刘迅

(潍坊工程职业学院山工机电工程学院，山东潍坊 262500)

平衡回路工作状况分析与改进

韩志引，赵庆松，刘迅

(潍坊工程职业学院山工机电工程学院，山东潍坊 262500)

对平衡回路和回路中的液压元件进行分析，叙述平衡回路的3种工况的工作原理，即举重上升、承重静止和负载下行，着重分析了承重静止和负载下行时回路容易产生故障的原因，并提出有效的解决措施。

平衡回路;顺序阀;中位机能;单向节流阀;液控单向阀

立式液压缸及工作部件在运行时，往往因自身重力而自行下落，造成工作部件在运动时速度失控，为了防止这一现象的产生，可在活塞下行的回路上设置能产生一定背压的液压元件，阻止活塞下落，并还可以使工作部件在运动时能承重静止在任一点，这种回路称为平衡回路 (背压回路)。作者从平衡回路的作用出发，通过对回路的液压元件进行分析，特别是对承重静止和负载下行过程中存在的问题进行分析，纠正了一些不正确观点，从而为液压平衡回路的设计提出了有益的建议。

1 常用平衡回路的分析

平衡回路主要有举重上升、承重静止、负载下行3种工况，要使立式液压缸在承重运动时能在任一点上静止，或在负载下行时，运动部件下行速度可控，承受负值负载的能力好，现针对图1两种常见的平衡回路做简要分析。

图1 两种常见的平衡回路

1.1 举重上升

在图1(a)所示采用单向顺序阀的平衡回路中，当主换向阀 (三位四通电磁换向阀)右位时，高压油推开单向阀，开始往立式缸下腔输送，使重物上升，上腔油液受到挤压，顺势通过管道往油箱中排放，这一工况一般不会出现问题，但由于主换向阀(阀芯为滑阀结构)和普通单向阀泄漏严重，使重物上升时，不能按预期的速度和时间到达终点。图1(b)采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路在这一工况中存在着相同的问题。

1.2 承重静止

图1(a)采用单向顺序阀的平衡回路和 (b)采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路在这一工况中都会使主换向阀处于中位，泵卸荷，重物静止。重物通过活塞对液压缸有杆缸的密封油液施力，利用“背油”把重物支持在某一固定位置。“背油”之所以能产生，是由图1(a)中的单向顺序阀和图1(b)中的单向节流阀和液控单向阀形成的。这一工况对所有的密封装置均提出了严格的要求，应尽量做到滴油不漏，才能防止重物在静止时不自然下行。致使重物自然沉降的原因，主要有普通单向阀密封性差和液压缸活塞部位密封性不良造成的。在工程机械的使用维修过程中，经常由于不能正确判断，区分造成重物自然下沉的原因，而使故障得不到及时的排除。对此，采用“泄漏观察法”进行分析，可及时正确查找出故障原因。

比较图1(a)和图1(b)，图1(b)采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路承重静止性能更好一些，因为液控单向阀是锥面密封，跟图1(a)中的普通单向阀相比较，泄漏极小，因此图1(b)的承重静止性能较图1(a)好。

并且正确选择换向阀的中位机能对承重静止这一工况也起着很重要的作用，换向阀的中位机能应使液压锁 (如图1(a)中的普通单向阀和图1(b)中的液控单向阀)的控制油液卸压，以保证换向阀中位接入回路时，液压锁能立即关闭，活塞停止并锁紧静止不动。图1(a)换向阀采用M型的中位机能，这种中位机能能使泵及时卸荷，但由于液压缸两腔封闭，普通单向阀进口处高压油仍存在一定的压力，不能及时卸荷，造成普通单向阀不能及时关闭，直至由于换向阀泄漏使控制油液压力下降到一定值后，普通单向阀才能关闭，这就降低了承重静止的精度。图1(b)K型中位机能也存在着相同的设计误区，假设图 (b)重物在举升过程中需承载静止，那K型中位机能将液控单向阀进口处的高压油封闭，这里的高压油同样存在一定压力，得不到及时卸荷，造成液控单向阀不能及时关闭，最后造成的后果同图1(a)。所以在平衡回路中所使用的换向阀应采用H型或Y型中位机能，如图2所示。

图2 H型和Y型中位机能

1.3 负载下行

在负载下行时，希望平衡回路有很好的承受负值负载的能力，运动过程中的速度受控性好，当图1(a)和图1(b)主换向阀处于左位工作时，如果回油路上没有任何的背压阀，管路连通后，回油腔没有任何的背压力，液压缸活塞在重物的怍用下，就会产生超速下降，为使重物避免超速下降，液压缸无杆腔应具有足够的背压，因此图1(a)单向顺序阀就起到背压的作用，即调整顺序阀的开启压力ps，使其与液压缸下腔作用面积的乘积稍大于垂直运动部件的重力，即可防止活塞因重力下滑，ps至少应满足:

式中:ps为顺序阀的开启压力 (即回油腔的背压力)，Pa;

A2为液压缸有杆腔受压面积，m2;

G为重物的重力，N。

图1(a)若液压缸无杆腔压力也为p1，无杆腔的面积为A1，则缸均匀下降的条件为:

式中:p1为进油腔压力 (无杆腔压力)，Pa;

φ为缸的往复速比;

pG为负载所建立的压力，pG=G/A2，Pa;

ps为顺序阀的开启压力 (即回油腔的背压力)，Pa。

单向顺序阀的开启压力就是保证式 (2)的条件。当重物拖动活塞不断下降时，泵同时通过主换向阀开始往液压缸无杆腔供油，无杆腔产生一个向下的作用力加上重物自身向下的重力，使回油腔压力增大，顺序阀被开启，但由于顺序阀能起到一定的背压，所以泵排出来的油液分两支路排放，一支路通过主换向阀到达液压缸无杆腔，另一支路通过溢流阀溢回油箱，因此，在某一时间段内，液压缸上腔油液压力由于溢流阀的溢流而时高时低，那回油路上的顺序阀会时开时闭，从而造成液压缸的运动不平稳。若工作负载减小，由于顺序阀压力已调定，所以系统的功率损失将增大，效率降低。因此，该回路不适合速度稳定性要求高、负载变化大的场合。

图1(b)采用液控单向阀和单向节流阀的平衡回路。回路上串联单向节流阀，用于控制回油腔流量，从而控制了缸负载下行的速度，使其具有良好的承受负值负载的能力，但依然无法保证当负载变化时，执行元件运动的平稳性，因为节流阀出口节流调速回路速度负载特性软，即节流阀进出口两端之间的压力差随负载变化大，从而无法保证流量的稳定性，缸的运动速度自然无法保证:

式中:q为通过节流阀的流量;

C为由节流阀孔的形状、尺寸和液体性质决定的系数;

AT为节流口的通流面积;

Δp为节流阀进出口两端之间的压力差，在图1(b)中指的是液压缸回油腔的压力;

m为由节流阀孔的长径比决定的指数。

2 改进措施分析

通过分析现有两种常见的平衡回路，可得出:图1(b)较图1(a)好，但仍存在缺点，即承重静止时，主换向阀的中位机能应改为Y型或H型;负载下行时，当负载力发生变化时，节流阀的流量不稳定，从而使得重物不能匀速下降。

假设在图1(b)的基础上把主换向阀的中位机能改成H型和Y型的，对整个回路来讲有益而无弊，如图3所示。

图3 中位机能改进后的平衡回路

又由于节流阀用来调速，但其进出口两端之间的压力差随负载变化大，即速度负载特性软，那可将节流阀换为调速阀，这样既能控制负载下行时的速度，又能保证执行元件运动的平稳性，这一点完全是由调速阀里的定差减压阀决定的，如图4所示。

图4 流量控制阀改进后的平衡回路

但问题又出现了，虽然解决了速度稳定性问题，但因多了定差减压阀的功率损失，使得回路功率损失增大，发热量大，效率降低。

若将图1(a)里的普通单向阀换成液控单向阀，其承重静止这一工况改善良好，但其在负载下行这一工况，为使执行元件运动平稳，可在进油路或回油路上安装能控制流速的液压阀，产生的问题与图1(a)的改进措施里所产生的问题相同。

3 结束语

液压缸平衡回路是一个普通常见回路，在举重上升、承重静止这两工况阶段主要问题在于泄漏，但泄漏这一现象很难根除，但可降低。而负载下行这一工况主要是速度的可控性和稳定性，通过分析常见的那两种回路只适合固定负载，分析改进后的平衡回路可知:用调速阀取代节流阀，在保证了可控性和稳定性良好的前提下，回路功率损失将增大，效率会降低，就像一个事物的产生一样，有好的一面肯定也有不好一面。

因此，在系统设计中，设计人员应根据系统需求来舍其一，如在一些速度稳定性要求高的小功率系统中和速度稳定性要求不高的大功率系统中，应根据具体情况，正确拟定液压原理，合理选择元件参数，分析系统中的变化情况，对于可调元件，应在试验台上进行设定，这样才能保证系统能安全可靠地运行。

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TH137

B

1001－3881(2013)8－143－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.050

2012－03－07

韩志引 (1985—)，女，本科，助教，主要从事液压与气压传动技术、数控编程与操作及工程机械液压、液力系统的故障诊断与维修等方向的研究。E－mail:cy7800@yahoo.cn。