对起重机械液压系统中平衡阀的探讨

2021-01-09

中国特种设备安全 2020年8期

（上海市特种设备监督检验技术研究院上海 200062）

液压系统具有诸多优点：体积小、重量轻、易于集成；刚度大、比功率大、适合低速重载驱动；精度高、响应快、调速范围宽，速度控制方式多样，易于实现自动控制；自润滑、自冷却和长寿命；过载保护，易于实现安全保护。但也有难以克服的一些缺点：如抗工作液污染能力差、泄漏、制造要求高、成本高等等。

《特种设备目录》中涉及液压系统检查的起重机械主要为流动式起重机，包括轮胎起重机、履带起重机、集装箱正面吊运起重机和铁路起重机4个品种。

1 特种设备中起重机械液压系统检验项目的演变

起重机械液压系统的检验项目随着特种设备安全监管的不断深化而变化。

1991年原劳动部颁布实施的《起重机械安全监察规定》对新出厂和在用起重机械液压系统安全技术要求[1]：平衡阀、泄压锁、管路及其连接。还包括：防止过载和液压冲击的安全装置，也就是液压系统应该设置溢流阀（安全阀）；操纵及控制装置的要求。

1993年原劳动部颁布实施的《起重机安全技术检验大纲》对新安装、大修改造和在用汽车（轮胎）起重机液压系统检验内容与要求[2]：各平衡阀应可靠工作，开启压力应符合说明书的规定。还包括：溢流阀的调定压力，变幅和支腿液压缸液压锁，液压元件管口和管路，液压油，过滤器，油冷却器，液压泵和马达噪音、振动等的要求。

2002年原国家质量监督检验检疫总局颁布实施的《起重机械监督检验规程》对监督检验的流动式起重机液压系统检验内容与要求[3]：平衡阀和液压锁与执行机构的连接必须采用刚性连接。平衡阀和液压锁工作应可靠有效。还包括：安全溢流阀，液压油箱过滤装置，软管连接，液压管路、接头、阀组等元件，蓄能器等的要求。

2008年原国家质量监督检验检疫总局颁布实施的TSG Q7005—2008《流动式起重机型式试验细则》流动式起重机型式检验项目及其内容、方法和要求[4]：液压系统是否装有与其流量相适应的平衡阀或者防止过载和液压冲击的安全装置。

2008年原国家质量监督检验检疫总局颁布，2009年实施的TSG Q7015—2008《起重机械定期检验规则》的液压系统检验项目及其内容、要求和方法[5]：检查平衡阀和液压锁与执行机构是否是刚性连接。还包括：液压回路是否漏油，安全限位装置、防爆阀（或者截止阀）是否损坏的要求。

2016年原国家质量监督检验检疫总局颁布实施的TSG Q7015—2016《起重机械定期检验规则》的液压系统检验项目和要求[6]：平衡阀和液压锁与执行机构为刚性连接。还包括：液压回路是否漏油，安全限位装置、防爆阀（或者截止阀）是否损坏的要求。与2008版“定检规”相比，增加了流动式起重机的变幅和垂直支腿油缸渗漏油情况的要求。

由此可见，在对起重机械液压系统的检验中，一直都有对平衡阀的检验项目和要求，足见平衡阀在保证设备安全中的重要作用。

2 起重机标准对平衡阀的要求

GB/T 6067.1—2010《起重机安全规程第1部分：总则》的液压系统[7]：平衡阀与变幅液压油缸、伸缩臂液压油缸、顶升液压油缸和液压马达的连接应是刚性连接。如果与平衡阀的连接管路过长，在靠近压力管路接头处应装设自动保护装置（防破裂阀）以避免出现任何意外的起升物品下降。

GB/T 24809.2—2015/ISO 10972—2：2009 《起重机对机构的要求第2部分：流动式起重机》的变幅机构与起升机构的特殊要求[8]：采用液压缸变幅时，应在油缸上装有一套保持装置（如平衡阀），以防止液压系统意外失效（如管路破裂）时臂架的坠落。采用液压缸起升时，应在油缸上装有一套保持装置（如平衡阀），以防止液压系统意外失效（如管路破裂）时载荷的坠落。

JB/T 12576—2015《轮胎起重机》的液压缸[9]：液压缸应装有保护装置（如液压锁、保护阀）。

JB/T 4030.3—2013《汽车起重机和轮胎起重机试验规范第3部分：液压系统试验》的平衡阀控制压力测定[10]。

GB/T 14560—2016《履带起重机》的液压系统一般要求[11]：平衡阀与被控元件之间应采用刚性连接，且间距应尽量短。

从上述看，特种设备安全技术规范和标准都对起重机械液压系统的平衡阀做出了具体规定。本文从平衡阀的工作原理来解释平衡阀受重视的原因。

3 平衡阀工作原理

根据GB/T 17446—2012《流体传动系统及元件词汇》，平衡阀是用以维持执行元件的压力，使其能保持住负载，防止负载因自重下落或下行超速的阀[12]。

起重机械液压系统中的执行元件主要有液压缸和液压马达。液压缸多用于变幅机构，通过液压杆的伸缩改变臂架长度或俯仰角度，实现幅度的变化；液压马达多用于起升机构和变幅机构，对起升机构：通过液压马达的旋转带动卷筒—钢丝绳系统，利用钢丝绳的收放，实现负载的升降；对变幅机构：通过液压马达的旋转带动卷筒—钢丝绳系统，利用钢丝绳的收放，改变臂架的俯仰角度实现幅度的变化。平衡阀的作用就在于通过维持执行元件（液压缸、液压马达）的压力，使执行元件在压力下保持静止（或锁止）状态，保持住负载，防止负载因自重下落；或通过平衡阀阀芯的动态调整来调节阀的开口面积，使执行机构在动态调整压力下保持一个稳定的运行速度，防止负载下行超速。下面以变幅液压缸为例，分析平衡阀的工作原理。

3.1 无平衡阀变幅液压缸工作状态

当液压缸无杆腔进油时，活塞杆外伸，幅度减小；当液压缸有杆腔进油时，活塞杆内缩，幅度增大。如图1所示，若未设置平衡阀，幅度变化过程中，液压缸的负载是变化的，特别是幅度增大（液压缸内缩）时，负载方向和运动方向一致，为负负载情况，运动有加速的趋势，有失速的危险；液压缸和控制系统之间一般用液压软管连接，如软管因压力过高或老化、受损等发生破裂，则液压缸无杆腔内压力消失，活塞杆快速内缩，幅度快速增大，同样有失速的危险。

图1 无平衡阀变幅系统

3.2 平衡阀的工作原理

如图2所示，当在液压缸上设置平衡阀后，当液压缸无杆腔进油时，平衡阀处的控制压力很小（略高于回油口压力），相当于单向阀，活塞杆外伸；当液压缸有杆腔进油，平衡阀处的控制压力达到或大于设定压力时，推动主阀芯动作，平衡阀开启。阀的开启面积（阀芯开启大小）、控制油口的压力和阀的进出油口压差之间通过动态调整实现平衡。当负载变化时，阀的进出油口压差变化，主阀芯随之动作调整，直到三者再次实现平衡。通过上述平衡调速功能，在负负载情况下也可以使通过阀的流量保持基本不变，实现液压缸的平稳运动。对执行机构是液压马达的情况，平衡阀的工作原理是相似的。

图2 有平衡阀变幅系统

3.3 异常情况下平衡阀的作用

在液压缸上设置刚性连接的平衡阀后，笔者认为平衡阀和液压缸之间的连接是可靠的。当液压缸无杆腔进油时，平衡阀处于单向阀工作状态，若液压缸有杆腔和控制系统间的液压软管出现破裂，不影响活塞杆的正常外伸，操作手柄回到零位时，阀口关闭，负载保持不动；若液压缸无杆腔和控制系统间的液压软管出现破裂，平衡阀迅速由导通状态切换到截止状态，此时相当于截止阀，阀口关闭，切断无杆腔油路，负载保持不动，起到安全保护作用。

当液压缸有杆腔进油时，平衡阀处于平衡调速工作状态，若液压缸有杆腔和控制系统间的液压软管出现破裂，液压缸有杆腔内高压消失，平衡阀控制压力也消失，平衡阀迅速切换到单向阀工作状态，此时相当于截止阀，阀口关闭，切断无杆腔油路，负载保持不动，起到安全保护作用；若液压缸无杆腔和控制系统间的液压软管出现破裂，不影响活塞杆的正常内缩，操作手柄回到零位时，液压缸有杆腔内压力消失，阀口关闭，负载保持不动。

上述安全保护作用都是在平衡阀和执行机构刚性连接条件下实现的，若平衡阀和执行机构之间不采用刚性连接，如采用液压软管连接，则连接的可靠性更低，安全风险更高。平衡阀和执行机构之间的连接距离也应尽量缩短，这样也是为了提高连接的可靠性，所以平衡阀一般都直接固定在液压缸或液压马达上，而不与控制系统其他元件集成在一起。

综上，在正常情况下，平衡阀处于单向阀工作状态或平衡调速工作状态。在单向阀工作状态下，正向导通，反向截止；在平衡调速工作状态下，正向调速，反向截止。在异常情况下，主要是液压软管意外破裂时，由于平衡阀和执行机构刚性连接，平衡阀仍处于工作状态，能维持执行元件的压力，使其能保持住负载，防止负载因自重下落或下行超速，起到安全保护作用。