露天矿用钻机平衡阀组设计

孙忠志，姜 鹏，潘洪涛，王占武，李 壮

（1.辽宁瀚石机械制造有限公司，辽宁 阜新 123000；2.辽宁北辰液压气动有限公司，辽宁 阜新 123000；3.鞍山精准光学扫描技术有限公司，辽宁 鞍山 114051）

液压平衡阀是工程机械液压系统重要元件之一，对工程机械整机的工作平稳性、可靠性和系统效率有着重要的影响。平衡阀可以限制负载下降的速度，又可实现微调及任意可控在空间某一高度上停止而没有一丝下滑现象。例如露天矿用钻机的举升机构，若无平衡阀，机构就会在负载的作用下产生超速下降、无法控制、出现危险现象等。带载越大，这种危险就越大。同样，在全液压行走系统中（开式系统），在下坡中也会产生超速下滑的危险，因此也需要使用平衡阀[1]。尤其在露天矿山开采的工程机械中使用更为频繁，现在露天矿山开采设备使用的驱动系统绝大多数都为全液压驱动，各个负载变化波动较大的执行元件均需要安装平衡阀组，来保证设备的安全运行。为此，以LWD-200 系列钻机为例，对各个元件的平衡阀组进行详细分析设计。

1 平衡阀

1.1 平衡阀工作原理

平衡阀结构图如图1，液压平衡阀允许油液从阀口II 到阀口I 自由流通，当阀口II 油液压力比阀口I 压力大时，阀芯在液压力的驱动下向阀口I 移动，单向阀打开，油液可以从阀口II 流至阀口I。阀口I 至阀口II 的液流是被截止的，直到先导口的压力达到一定值把阀芯向上移动，使阀口开启，油液才从阀口I 向阀口II 流动。当先导压力不足以开启阀芯时，阀口关闭。阀口I 至阀口II 液流被截止[2]。

1.2 平衡阀的主要作用

1）负载保持。平衡阀可以阻止液压缸的下移运动，平衡阀允许操作者以一定的速度提升重物并保持在某一位置。

图1 平衡阀结构图

2）负载控制。平衡阀可以防止由于执行元件负载的能量，而引发先于液压泵的动作而产生的动作，从而消除了执行元件的气穴现象和负载失控现象。

3）安全负载。当液压油路中的管路爆裂或严重泄漏时，安装在执行元件上的平衡阀可以阻止移动载荷的失控发生[3]。

1.3 平衡阀应用和先导比的选择原则

平衡阀的溢流设定值一般为1.3 倍的最高工作压力，但是开启先导阀的要求压力取决于先导比，为了优化载荷控制和能量利用，可以参照如下方法选择先导比[4]：①2.5∶1 当载荷极不稳定时选用，例如长臂吊车；②5∶1 应用于载荷变化并对机械结构产生不稳定的影响时；③10∶1 应用于载荷相对稳定的的应用场合。

2 露天矿用钻机平衡阀的选型

国内目前常使用的平衡阀为华德公司生产的FD 系列平衡阀，结构大、笨重、不能实现油路内部控制，而且不能实现双作用控制[5]。

露天矿用钻机选用美国Sun Hydraulics Corporation公司（以下简称SUN）生产的CB 系列平衡阀。SUN是生产液压螺纹插装阀的专业厂家，跟传统的板式液压阀相比，SUN 公司的螺纹插装阀具有结构紧凑，减少管路连接等特点，目前，在国外的工程机械上得到了广泛的应用。SUN 公司平衡阀具有多系列流量和多级导压比可选，并且泄漏量小（复位时最大内漏量为0.4 mL/min），动作灵敏，工作可靠，可以满足钻机的各种流量和导压比要求。从而保证钻机在实际使用中需求。同时插装阀便于集成化设计，可以将多个功能的插装阀集成在1 个液压油路块中，满足各种负载工况的需求。如在平衡阀组中可以增设溢流阀、减压阀、梭阀、测压口等，从而使液压系统更集成化，安装更方便化，维修更简单化。

结合露天矿用钻机的实际工作情况，发现钻机在实际工作时，多个执行元件负载变化较大，例如钻架举升油缸、支腿油缸、推进油缸、行走液压马达、旋转液压马达等。针对油缸类和液压马达类平衡阀组分别进行详细分析研究。

3 露天矿用钻机平衡阀组

3.1 油缸类平衡阀组

在钻机支腿油缸、钻架举升油缸、推进油缸之路均需安装双向平衡阀，从而确保油缸的运行平稳。钻机油缸负载波动较大，应选用导压比为2.5 ∶1 的平衡阀。油缸类平衡阀组原理图如图2。

图2 油缸类平衡阀组原理图

当平衡阀A1 进油时候，油液通过单向阀进入到平衡阀的A2 口，从而液压油缸内，推动液压油缸运动，同时，A1 测的压力油通过液压阀块的液压油道作用于另一个平衡阀的B3 控制口，右侧平衡阀在B2 处压力油和B3 处压力油共同作用下打开，从而使油液可以从B2 流向B3，完成油缸的动作。保证油缸回油处存在背压，保证油缸运行的平稳[6]。

当A1 或B1 侧发生故障时，例如液压管路爆管时，A2 或B2 侧压力瞬间消失掉，此时，单向阀瞬间关闭，从而能够保证2 到A1 或B1 侧油液流动被阻止，保证油缸不能下移。

当负载运行角度达到90°之后时，机械负载会在重力作用下，有快速下降的趋势。如果没有平衡阀的保护，会产生失速现象，是设备运行不平稳，严重情况时，还会发生安全事故。但当安装平衡阀后，由于机械结构的重力负载带动油缸运动，此时平衡阀组A1 测压力较小，作用在B3 测的控制油也较小，右侧平衡阀不能被打开，此时，只有当负载产生的压力B2 达到右侧平衡阀设定的最大弹簧力时，能够克服弹簧力打开右侧平衡阀，才能保证允许液压油缸缓慢运动。如果将右侧平衡阀的弹簧力调定的大于机械结构的最大负载力，机械结构就不会运动，能确保机械结构在任何位置固定。

3.2 马达类平衡阀组

工程机械行走马达都必须安装平衡阀组，其基本功能与油缸类平衡阀组基本一致。由于行走负载波动较小，常选用导压比为10∶1 的平衡阀。

在工程机械马达行走系统中常配有刹车制动系统，保证液压系统不工作时，如在陡坡中停车时，刹车制动系统行使作用，将行走减速机抱死，防止出现工程机械溜车现象的发生，保证工程机械杀刹车的可靠性。但当工程机械行走时，首先需要给刹车制动油缸1 个小压力（常小于40 ×105Pa）的控制油，从而克服制动油缸的弹簧力，使刹车制动系统打开，让工程机械自由行走。传统的工程机械需要单独设置1 路控制油进入刹车系统，来控制刹车制动系统。

马达类平衡阀组原理图如图3。

图3 马达类平衡阀组原理图

无论A1 侧还是B1 侧进油，高压油都可通过梭阀进入到减压阀，经过减压阀减压后将低压的控制油输送到刹车制动系统，从而打开钻机的抱闸。保证钻机的正常行走。总而言之，只要控制马达行走之路有高压油时，刹车制动就及时打开，马达开始自由行走，当换向阀关闭后，马达总走之路不再有高压油时，刹车制动马上抱死，从而保证机械的安全可靠性。同时还可根据不同要求，在平衡阀组中插装其他类插装阀，起到溢流保护功能的溢流阀[7]，从而防止液压系统超载对马达造成损坏。

4 露天矿用钻机平衡阀组的应用

根据设计的平衡阀组液压原理图，对液压平衡阀组进行加工制造，并将设计好的平衡阀组在LWD-200 系列钻机进行了多次试验，在实际使用过程中发现，与传统的FD 系列平衡阀相比，钻机举升油缸等油缸运行平稳，无颤动现象，而且可以在任意位置停止，并长时间保持稳定性。

行走马达平衡阀组，在钻机下坡行走时，也能保证钻机的平稳运行，钻机制动时，制动效果安全可靠，当钻机行走时，刹车制动系统迅速打开，无须其他操作，简化了钻机的操作流程，满足了钻机整体设计要求[8]。

5 结语

通过实验与长时间应用发现，CB 系列平衡阀组故障率低、结构紧凑、易于集成化等优点更适用于目前露天矿山工程机械，使用CB 系列平衡阀后钻机生产与维修效率都明显提高，CB 系列集成插装式平衡阀组在更多的露天矿山设备上得到更广的应用。