船用液压系统平衡阀的应用和系统故障排除

2021-02-10汤传春

江苏船舶 2021年6期

汤传春

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏江阴214400)

0 引言

液压驱动由于其输出扭矩大、调速性能强等优点，广泛应用在船用甲板机械诸如锚缆机系泊机械、克令吊、舱盖启闭等液压系统中。这些甲板机械的起升、旋转、变幅等机构，在带载下降过程中均存在由于自重而超速下行的风险，因此在液压系统回路中必须设置能产生一定背压的液压元件即平衡阀，以限制和调整负载部件的下落速度，保证负载在任意位置上被制动，确保设备平稳、可靠运行。通常平衡阀是由顺序阀和单向阀组合而成，在顺序阀的阀体内并联装设单向阀，并在控制油路中设置相应的阻尼，以确保控制过程平稳无冲击。

甲板机械液压系统运行环境恶劣，船员缺乏专业的维护能力，出现故障的频率较高。这些故障隐蔽性强、现场检测手段有限且症状和原因重叠和交叉，对于设备维修人员的专业知识和经验要求较高。为此，本文从平衡阀的结构和工作原理、平衡回路在船用机械液压系统中的作用、典型液压平衡回路系统故障的成因和解决方法等方面进行研究，为相关船用设备系统的维护、修理和调试提供借鉴。

1 平衡阀的结构和工作原理

1.1 板式平衡阀的结构和工作原理

FD型平衡阀主体结构采用了液控单向阀节流设计，其内部结构见图1。

1—阀体；2—主阀芯；3—先导体；4—控制阀芯；5—阻尼阀芯；6—阻尼孔；7—主阀腔；8—主阀弹簧腔；9—控制活塞弹簧腔；A—油口(接阀侧压力油)；B—油口(接工作负载，油缸或油马达)；X—控制油接入口；M—测压口；T—回油口。

当液流从A至B时，其控制油口X不工作，压力油只需克服主阀芯弹簧的压紧力，便将主阀芯2打开，油液通过打开的阀口实现了流动。此工况条件下平衡阀具有单向阀的功能，可以确保当与A口相连的管路突然爆裂或者系统换向阀切换至中位等情况下，主阀芯在油腔8的负载油压和弹簧的共同作用下直接关闭。由于锥形主阀芯与阀座形成线密封，可以达到接近于零泄漏的截止状态，这样可使运行中的负载安全定位，不至于突然坠落。

当液流从B至A时，由于负载油压和弹簧力的共同作用，主阀芯2处于关闭状态，油路处于截断状态；要使液流从B到A实现反向流动，必须将主阀芯2打开。此时，从系统回路中分流引出的控制油压通过油口X作用在控制阀芯4上；当建立起足够的控制压力，由于与X口连接的阻尼口的作用，缓慢推动控制阀芯推动先导体3，使其离开阀座，油腔8内的压力通过先导体开启的开口与油口A相连，使腔8卸压，进而推动主阀芯开启，实现液压油从B流向A口。设置先导件3可以大大减小控制压力，使其控制压力与油口B的负载压力之比低于1∶20，同时先导件3、阻尼阀芯5和阻尼孔6共同作用以确保打开主阀芯过程中的稳定性，避免高压封闭回路压力突然释放，产生较大液压冲击和噪声[1]。

1.2 插装式平衡阀的结构和工作原理

CB型插装式平衡阀是一种在中小流量船舶液压系统中广泛使用的阀件，安装方便，可靠性、稳定性高，其内部结构见图2。

1—主阀芯；2—主阀座；3—主阀芯弹簧；4—阀套；5—控制弹簧；6—调节螺栓；C—油口，先导口接控制油；B—油口，自由口接主压力油；A—油口，负载口接工作负载。

当液流从油口B至油口A时，先导油口C处无控制油压进入油腔，主阀座处于静止状态。由于主阀芯弹簧较软，压力油能够克服此弹簧力推动主阀芯右移，液流通过打开的阀口实现油口B和油口A的连通。该工况条件下该阀呈现单向阀特性。

当液流从油口A至油口B时，由于压力油和弹簧力的共同作用，主阀芯处于反向截止状态。油口C通入控制油的压力作用在主阀座横截面上。当控制油压力大于控制弹簧的设定压力值时，主阀座便被推动往左移动，油口A和油口B接通。

2 平衡阀在船舶液压系统中的实际应用

2.1 平衡阀在锚缆机液压平衡回路中的应用

船舶锚缆机的锚链在收放过程中，由于其自重或者系统内液压元件内泄而导致锚链存在自行快速下落的风险，因此在液压马达的回路中设置能够产生一定背压的平衡阀块，以确保液压马达系统及时锁止，保证在锚链下放过程中其速度稳定可控。

当换向阀处于中位时，由于换向阀选择H型或Y型等中位机能，平衡阀控制油路没有压力，平衡阀处于关闭状态，锚机液压马达被系统油压牢牢地锁止在静止位置。当换向阀处于起升档位工作时，液压油直接通过平衡阀油口将单向阀打开后进入到液压马达，驱动液压马达输出扭矩带动锚链上升，回油直接通过换向阀流回油箱。当换向阀处于下放档位工作时，液压油进入液压马达，同时从压力油路引流的控制压力油作用在平衡阀控制油口处，利用控制油压将平衡阀中的顺序阀阀口打开，回油通过打开的阀口，液压马达运转下放锚链。平衡阀内部阀口开度越大，锚链下行速度越快。当锚链下放速度过快后，导致马达驱动腔供油不足而失压，平衡阀也因失压导致阀口开度变小甚至关闭，锚链下降速度变慢甚至停止，达到防止液压马达失速的目的。

2.2 平衡阀在克令吊液压系统中的应用

平衡阀在克令吊的变幅机构、起升机构和旋转机构的液压系统回路中均有应用。根据各个机构的功能和需求的不同，平衡阀在系统中承担的作用也有所不同。本文以某船软管吊液压原理图为例进行分析，其图见图3。

1—变幅油缸；2、5、9、10—平衡阀；3、7—制动油缸；4、8—液压马达；6、11—梭阀；L1、L2—壳体泄露油口。

(1)起升机构的液压马达采用液压机械联合制动回路，通过刹车油缸和平衡阀的双重作用制动液压马达，平衡阀则依靠自身阀芯关闭的密封效果防止液压马达逆转。在提升和下放过程中，液压油在推动马达的同时均通过梭阀给刹车油缸供油，解除马达的制动；同时在负载下行过程中，由于平衡阀可以在回路中形成一定的背压，以阻止负载因自重而快速下落，起到限速保护的作用。

(2)变幅机构的液压平衡回路中平衡阀的作用是：当换向阀在中位时，平衡阀保证吊臂在任何位置不因自重而下落；该阀块安装在油缸本体上，即使系统管路发生破裂，也能确保吊臂安全。所以，该阀在此系统中被称为防爆阀。

(3)旋转机构的液压马达在旋转过程中会受到驱动负载和运动速度的影响。当其从运动到突然静止或换向切换的过程中，由于负载部件惯性大，传动齿轮会产生很大的冲击和振动。为了消除或减少液压冲击，在系统正反转油路中设置双向平衡阀，依靠平衡阀的自锁和节流的特性，使回转机构在停车或换向前能够预先减速，达到缓冲的目的。

3 平衡阀在船舶液压系统中常见的故

障及排除

3.1 某船自卸臂拉伸油缸不下落

3.1.1 故障现象

某改装船自卸系统在调试的前期阶段，自卸臂的抬升油缸伸出和缩回动作都很正常，但数次操作后，抬升油缸出现回缩而不能伸出的故障。

3.1.2 排查过程

对自卸臂抬升液压系统原理进行分析发现：当电磁换向阀的电磁铁通电后，系统的压力油进入油缸的无杆腔，同时分流的控制油将有杆腔回路中的平衡阀打开，确保有杆腔的液压油通过平衡阀，继而再通过单向节流阀和换向阀后流回油箱，拉升油缸完成回缩动作。

首先对电磁换向阀进行检查，手动操作电磁阀两端的推杆，阀芯在阀体内动作灵活无卡滞，弹簧复位正常，故障现象依旧，排除电磁换向阀不工作的可能性。后期对电磁线圈的电压和阻值进行测量，结果均显示正常，进一步排除电路控制系统的故障。抬升油缸在将自卸臂拉升至一定高度后静置一段时间，自卸臂并未下滑，可以推断出抬升油缸完好。通过测试系统压力为28 MPa左右，不存在控制油压不足而无法有效推动打开平衡阀内部阀芯的可能性。

通过查阅图纸可知，该阀结构型式与FD型平衡阀类似，但控制活塞的泄油方式不同。FD型平衡阀为外控内泄式，此阀为外控外泄式，其控制活塞的背压腔L与油箱相连，见图4。根据结构分析，控制活塞能否正常运作取决于控制油压的大小及背压腔油液的正常泄放，排除第一种可能性后，进一步检查发现背压腔L与油箱的管路中球阀处于关闭状态，将其打开后，抬升油缸故障消失[2]。

1—控制活塞；2—主阀芯；3—先导阀芯；K—控制油接入口；L—泄漏油接入口；P1—压力油进口；P2—压力油出口。

3.1.3 故障原因

该平衡阀控制活塞为外控外泄式，控制活塞与阀体为间隙密封，正常工作时会有油液通过缝隙进入活塞的背压腔。由于泄放阀被关闭，导致液压油越聚越多形成背压，阻碍控制活塞的运动，因此系统在调试初期动作正常，操作次数变多后故障发生。

3.2 某船右食品吊液压绞车故障

3.2.1 故障现象

在负荷试验过程中，某船食品吊起升后的配重物在换向阀回中位后出现快速下坠的故障。

3.2.2 排查过程

该绞车液压马达回路为液压机械联合制动回路。在换向阀不操作时，负载的制动主要依赖刹车油缸内部的弹簧及摩擦片产生的机械制动和平衡阀自锁性能。从刹车油缸系统和平衡阀两方面排除上述故障的原因。首先对刹车油缸系统进行排除，在不操作起升机构换向阀的情况下，将刹车油缸的控制油管拆除后闷妥，操作变幅机构的换向阀，利用变幅油缸将配重块小幅度顶升离地，配重块仍旧出现快速下落的情况。基于下落速度，可判断平衡阀出现故障的可能性较大。

3.2.3 故障原因

对平衡阀进行解体发现，阀块内部的阀套装配出现错误(见图5)，导致该阀失去了锁止的作用，仅靠刹车油缸提供不了足够的制动扭矩。