液压系统平衡回路分析

徐成东

液压传动因为具有一系列优点而广泛地应用于起重运输机械、矿山机械、机床加工等多个领域[1]。在很多场合，工作装置需要负重做较大距离的升降工作。当重物下降时，会因为自身的重力而加速下行，这样不仅威胁到人员的安全，还会影响到作业区域机器设备的安全，是绝对不允许的。因此，工作装置的液压系统需要设置专门的平衡回路，同为正常的施工作业提供安全保障。此外，当工作需要时，可以通过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装置超速下降和实现承重静止。通常是在回油路上设置节流阀或顺序阀，以达到限定执行元件速度（转速） 的目的，必要时可增设液控单向阀。

1 采用节流阀的平衡回路

在由节流阀构成的平衡回路中，节流阀具有控制回路流量，限制执行元件速度的作用[2]。当换向阀处于右工作位时，液压缸的小腔进油，大腔回油，活塞缩回，重物随之下降。如果需要重物停留某一位置，则需要回路具备锁紧功能，此时可增设一液控单向阀（见图1）。重物停止运动时，换向阀回归中位，进油路泄压，液控单向阀的控制油液也会泄压，液控单向阀关闭，实现锁紧，回路处于承重静止状态[3]。液控单向阀属于锥阀式机构，锁紧性能好。因此，重物的定位精度很高[4]。当重物下降时，进油腔压力形成，液控单向阀打开，回油路的油液反向通过液控单向阀。

对于该类型的回路，节流阀形成足够压力和稳定流量的动态过程时间较长，因此在相当长的时间内，重物处于加速下降状态，然后才转为匀速运动。此类回路只适用于对下降速度均匀性要求不高的场合[5]。为了实现重物在静止时的定位精度，换向阀中位宜采用H 型或Y 型，否则液控单向阀因为控制口油液不能及时泄压导致阀芯处于开启状态，此时随着换向阀油液的泄露，液压缸会出现少量的移动，重物也会下降，直至压力下降到液控单向阀完全关闭为止[6～8]。

图1 节流阀构成的平衡回路

需要指出，液控单向阀虽然具有锁紧功能，但是不能限速，不能作为平衡阀使用，这是由其锥阀式结构特点决定的。

2 采用顺序阀的平衡回路

顺序阀具有自适应功能，可以通过调节开口度，起到限制速度的作用，经常用作平衡阀构成平衡回路。外控顺序阀和内控顺序阀在构成的平衡回路中有着各自的应用，但两者有不同的特点。

2.1 采用内控顺序阀的平衡回路

在采用内控顺序阀的平衡回路（见图2（a））中，顺序阀的调定压力大于重物的自重在液压缸下腔所形成的压力。换向阀处于中位时，顺序阀关闭，回路处于承重静止状态。当换向阀处于左位时，回油腔和进油腔压力同时升高，顺序阀打开，液压缸大腔实现回油，重物下落，重物的自重因顺序阀开口度所形成的阻力得到平衡。当换向阀处于右位时，油液通过单向阀进入液压缸大腔，重物上升。这种回路采用M 型机能换向阀，当液压缸停止工作时，液压缸上、下腔中的油液被封闭，从而锁紧重物，还可使泵卸荷，以减少能耗。

对于此类平衡回路，由于顺序阀总会存在泄漏，故在长时间停止时，重物仍会缓慢下移。为此，可在液压缸与顺序阀之前增设一个液控单向阀，以减少泄漏影响，提高锁紧精度 (见图2（b）)。需要指出的是，为了使重物在悬空停止时保持锁紧状态，换向阀的中位机能宜使用H 型或Y型，而不能使用M 型，否则液控单向阀控制油液不能及时卸压，无法立即实现锁紧[9]。

内控顺序阀用于平衡回路时，其调定压力是由重物的重量直接决定的。当重物的重量较小时，液压缸回油腔形成的压力较小，为了实现重物的下落，进油腔必须形成足够的压力，这会带来液压系统较大的能量损失。此外，顺序阀的调定压力较大时，其弹簧的刚度较硬，调节性能也会变差[10]。这类回路主要用于工作部件重量不变，且重量较小的系统。例如，用于立式组合机床、插床、锻压机床的液压系统。

图2 内控顺序阀的平衡回路

2.2 采用外控顺序阀的平衡回路

在采用外控顺序阀的平衡回路（见图3） 中，顺序阀的开启受进油路压力的控制，和因重物的重力形成的液压缸回油腔的背压并无直接关系，调定压力较小，因而打开顺序阀时液压缸进油腔的压力也较小，功率损失较小。如果重物下行速度过快，液压缸上腔的供油量满足不了下行的回油量，上腔油液压力就会降低，随之顺序阀的控制压力也会降低，阀芯移动，随着开口度减小，背压增加，活塞下行受阻，移动速度减慢。顺序阀阀芯的开口度能够随着进油压力的变化调整，形成与之相适应的回油流速，起到控制重物下降速度的作用。该类型回路适用于负载变化较大的场合，例如起重机液压系统的起升机构回路、变幅机构回路等。同样道理，重物长时间停止时，因为滑阀的泄漏会有缓慢下降。为此，可在液压缸与顺序阀之间增加一个液控单向阀。采用外控顺序阀的平衡回路中的换向阀也应使用H 型或Y 型中位。

3 结 语

液压系统平衡回路在多种场合具有广泛应用。设计平衡回路时，应首先分析机械设备的用途、功能、工况等。对于速度均匀性要求不高的场合，可采用节流阀构成的调速回路作为平衡回路。如果需要重物停留在某一位置时，可使用液控单向阀作为锁紧阀。对于采用顺序阀的平衡回路，要区分外控和内控两种型式在用途上的差异；而为了防止静止重物缓慢下滑，可采用液控单向阀锁紧，使用液控单向阀时，要合理选用换向阀的中位机能。

图3 使用顺序阀的平衡回路