Operation and Function Analysis of Balanced ValveGroup in Hydraulic Control Circuit

摘　要 ：在我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，其對于起重運(yùn)輸機(jī)械液壓驅(qū)動的設(shè)計也具有進(jìn)一步的提高，此設(shè)備不管是在伸縮或者起升的過程中都會出現(xiàn)超速下行的危險。為了使此問題得到有效的解決，就實現(xiàn)平衡回路的設(shè)計，其能夠使在運(yùn)行過程中的位置鎖定。平衡閥組在液壓控制回路具有重要的作用，那么本文就對液壓控制回路中的平衡閥組作用及運(yùn)行進(jìn)行分析。

?關(guān)鍵詞 ：平衡閥組 液壓控制回路 作用

平衡閥是工程機(jī)械中常用的閥門之一，對改善工程機(jī)械某些機(jī)構(gòu)的使用性能起重要作用。例如，液壓起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)以及伸縮機(jī)構(gòu)中，液壓缸帶負(fù)載下降時，若無平衡閥，機(jī)構(gòu)會在負(fù)載的作用下超速下降。為了使液壓執(zhí)行元件動作平穩(wěn)或者鎖定該液壓執(zhí)行元件，就需在油路上設(shè)置平衡閥限制其運(yùn)動速度。本文基于用于控制臂架伸縮或變幅的液壓油缸的液壓控制回路，分析平衡閥組的使用及作用。

1 平衡閥組介紹

本文所分析的平衡閥組能夠有效減小外控端口壓力波動對其平衡閥的閥口開度波動的影響，從而使液壓執(zhí)行元件平穩(wěn)地運(yùn)動，屬于全新平衡閥組。其主要包括具有外控油路液控腔的平衡閥 4，該平衡閥組具有第一端口 4P、第二端口 4T 和外控端口 4K，第一端口4P 與平衡閥 4 中的單向閥 5 的正向端口連通，第二端口 4T 與平衡閥 4 中的單向閥 5 的反向端口連通，其中，平衡閥組還包括外控油路 10 和用于泄油的外控調(diào)節(jié)油路 13，外控油路 10 上設(shè)置有第一阻尼單元 9，且該外控油路 10 的兩端連接在外控端口和外控油路 10

液控腔之間 ；外控調(diào)節(jié)油路上設(shè)置有第二阻尼單元 13，且該外控調(diào)節(jié)油路的一端連接于外控油路液控腔。圖1 為平衡閥組結(jié)構(gòu)，其中 4 為平衡閥；8 為順序閥 ；10為外控油路 ；12 為外控調(diào)節(jié)油路 ；9 為第一阻尼單元 ；13 為第二阻尼單元 ；3 為單向閥 ；7 為內(nèi)控油路 ；6 為液壓執(zhí)行元件液壓缸；2 為第一工作油路 ；11 為第二工作油路 ；1 為換向閥 ；第一工作油口為 1A ；第二工作油口為 1B ；換向閥的進(jìn)油口為 1P ；回油口為 1T；壓缸的有桿腔為 6b ；第一端口 4P ；第二端口 4T；外控端口4K ；無桿腔為 6a。

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另外，此平衡閥組還具有內(nèi)控油路 7，其中平衡閥組中具備內(nèi)控油路液控腔，利用第二端口 4T 和內(nèi)控油路 7 液控腔進(jìn)行連接。基于此，液壓控制回路要求具備液壓執(zhí)行元件。該液壓控制回路包括液壓執(zhí)行元件6 以及分別對應(yīng)地連接于該液壓執(zhí)行元件的兩個油口的

第一工作油路 2 和第二工作油路 11，該第一工作油路 2和第二工作油路 11 在換向閥 1 中連接，換向閥 1 連接于主進(jìn)油油路 1P 和主回油油路 1T，以能夠通過換向閥1 的控制而實現(xiàn)液壓執(zhí)行元件的伸縮控制或正反轉(zhuǎn)控制，該液壓控制回路還包括上述平衡閥組。其中，第一工作油路 2 和第二工作油路 11 包括第一段和第二段，第一段連接在換向閥 1 與平衡閥 4 的第一端口 4P 之間，第二段連接在第二端口 4T 與液壓執(zhí)行元件之間，外控端口 4K 連接于第二工作油路 11 上。在工作過程中，假如沒有通電，那么整個閥組處于斷電的情況中，表示閥組處于中間位置中，這個時候的進(jìn)油路斷開。對擰頭油缸來說，下腔油封閉，在此情況中油壓極為穩(wěn)定。但是平衡閥的阻尼孔無法打開，所以擰頭油缸靜止。

?新型平衡閥的主要性能特點(diǎn)為：在系統(tǒng)為負(fù)載下降的時候，先導(dǎo)控制回路提供低壓力先導(dǎo)油。油液通過并聯(lián)油路輸入壓力作用具有特殊結(jié)構(gòu)新型平衡閥控制活塞，其中 PIL 口先導(dǎo)控制壓力和閥芯開口大小具有密切的關(guān)系，以此對流量進(jìn)行控制，還能夠?qū)钊麠U運(yùn)行的速度進(jìn)行控制。系統(tǒng)在負(fù)載下降或者保持狀態(tài)的時候，新型平衡閥在執(zhí)行元件管理出現(xiàn)故障的時候，能夠及時鎖緊油路。在負(fù)載較大或者出現(xiàn)振動導(dǎo)致回路壓力不斷升高的時候，能夠?qū)⒁缌鏖y打開，油液利用順序閥到主閥芯先導(dǎo)口的主閥芯中作用，使主閥芯彈簧力得到克服，從而有效促進(jìn)主閥芯朝著左運(yùn)動，打開閥口就能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載壓力卸載，此不會威脅到升起載荷中工作人員的生命安全 。

2 平衡閥組在液壓控制回路中的運(yùn)行

2.1 平衡閥組在液壓控制回路中的工作原理本文以上所分析的液壓執(zhí)行元件的液壓控制回路中，主控閥 1 屬于三位四通換向閥，此換向閥的工作油口利用工作油路和和液壓缸的無桿腔、有桿腔相互連接。在換向閥處于左位時，進(jìn)油口 1P 和第一工作油口1A 連通，回油口1T與第二工作油口1B 連通。這個時候，液壓油利用第一工作油路 2 流到液壓缸 6 無桿腔 6a 中，液壓油流到平衡閥組 4 中，通過平衡閥組 4 單向閥 3 實現(xiàn)外控調(diào)節(jié)油路 12 中單向閥的設(shè)置，從而阻止液壓油通過該外控調(diào)節(jié)油路 12 和外控油路 10 進(jìn)入第二工作油路 11。

因而，液壓缸 6 活塞正常伸出。在換向閥 1 處于中位時，換向閥 1 的第一工作油口 1A、第二工作油口1B 和回路相互連接，液壓缸 6 活塞鎖定或者懸浮。在換向閥 1 為右位的時候，換向閥 1 進(jìn)油口 1P及第二工作油口 1B 相互連接，回油口 1T 和第一工作油口 1A 連接。液壓油利用第二工作油路 11 流到液壓缸 6 有桿腔6b 中，并且部分液壓油利用外控油路 10 及外控調(diào)節(jié)油路 12 流到第一工作油路 2 中，而且外控油路液能夠打開平衡閥。液壓缸 6 無桿腔 6a 中的液壓油利用第一工作油路 2 回油。因為外控油路 10 及調(diào)節(jié)油路 12 中具有阻尼單元 13 和 9 的設(shè)置，在外控端口油壓出現(xiàn)波動時，外控油路 10 液控油油壓波動小，避免液壓缸 6 活塞在縮回的過程中抖動。

2.2 順序閥的動靜態(tài)分析

平衡閥 4 中具有重要元件順序閥 8。在此，對順序閥的動靜態(tài)進(jìn)行分析。對在閥門剛開始時候的進(jìn)口壓力為開啟壓力，如果忽略閥芯的重量及閥芯和閥體摩擦力，那么 PoA=k（x0+x），也就是 Po=k（x0+S）/ A 。其中 A 指的是滑閥端面的面積，d 指的是滑閥的直徑，k 指的是彈簧的剛度，S 指的是滑閥和閥體的封油長度。因為開啟滑閥之后通過閥口液流穩(wěn)態(tài)液動力影響，順序閥進(jìn)口壓力不斷提高，直到全部在閥芯中作用的力相互平衡。如果將閥芯自重及閥芯摩擦力忽略，順序閥靜態(tài)特點(diǎn)能夠通過以下公式進(jìn)行表示 ：P1A=k（x0+S+x）+2CdπdxP1cosα其中 x 指的是閥口的開度，Cd 指的是閥口的流量系數(shù)，α 指的是滑閥閥口的射流角。

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如果 P=P1 － P0 為調(diào)壓偏差，那么調(diào)壓偏差越小，壓力閥的性能就會越好。通過物理特性方面分析，因為具有流量流過閥口，調(diào)壓彈簧因為閥芯位移壓縮提高了附加彈簧力，并且閥口液流對于閥芯具有穩(wěn)態(tài)液動力。其中增加的彈簧力及也動力大小在流量增加的過程中增加，方向和彈簧與壓縮力的方向不同，所以提高閥控制壓力，從而就會出現(xiàn)調(diào)壓偏差。為了使調(diào)壓偏差得到縮小，在設(shè)計的過程中要降低流量下閥開口長度 。圖 2（a）為順序閥的結(jié)構(gòu)，圖 2（b）（c）為順序閥部分結(jié)構(gòu)擴(kuò)展圖，其中（b）中 P1 為順序閥開啟壓力，L 指的是閥芯，k 為彈簧剛度。

?2.3 平衡閥的靜態(tài)特點(diǎn)

對平衡閥靜態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行研究，就是對平衡閥系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)時候的平衡閥輸出、輸入的關(guān)系進(jìn)行研究，也就是負(fù)載流量、負(fù)載壓力及控制壓力的關(guān)系。因為此三者具有確定函數(shù)關(guān)系，能夠利用平衡閥閥芯力平衡方程及流量連續(xù)性方程尋找其關(guān)系 [8]。圖 3 為平衡閥結(jié)構(gòu)。

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在某個負(fù)載作用中，并且平衡閥閥口開度一定的時候，閥芯處于先導(dǎo)控制力、彈簧壓縮力液動力及摩擦力相互作用的時候平衡，那么主閥芯力的平衡方程表示為 ：（Pk－Po）A=K（XO+Xc+X）+Fy－Fz+Ff其中 Fy 指的是穩(wěn)態(tài)液動力，Cd 指的是平衡閥的流量系數(shù)，Cv 指的是平衡閥的流速系數(shù)。通過方程表示，在彈簧與壓縮量一定的時候，相應(yīng)不同流量具有一族曲線，并且還具有兩簇曲線，分別為 ：QL=常數(shù) （Pk－PL）曲線；PL=常數(shù) （Pk－QL）曲線；Pk=常數(shù) （QL－PL）曲線。這三條曲線通過不同方面對平衡閥靜態(tài)特性進(jìn)行了描述，在 QL= 常數(shù)為常數(shù)的時候，Pk 和 PL 為平衡閥靜態(tài)特性的函數(shù)關(guān)系，（Pk － QL）曲線指的是平衡閥靜態(tài)特性曲線。以此表示負(fù)載不發(fā)生變化，在不同閥芯開口量的時候，相應(yīng)平衡閥不同控制壓力，得到圖 4 ：

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其中 a、b、c、d 分別表示液壓平衡閥四個典型工作情況為低速、重載；高速、重載；高速、輕載；低速、輕載。相應(yīng)通過 a、b、c、d 四個點(diǎn)圍成的面積能夠充分展現(xiàn)出平衡閥工作范圍，圖形的面積越大，那么工作范圍就會越寬。平衡閥面積增益和負(fù)載壓力具有反比的關(guān)系，在負(fù)載壓力不斷降低的過程中，面積梯度也在不斷的增加。以此得到理想化靜態(tài)特性曲線，從而推測出在平衡閥開口變化過程中，閥門面積增益并不是固定值，所以得到平衡閥工作依據(jù) ：平衡閥面積增益要和流量相互聯(lián)系，在大流量快速通過的時候增加面積增益，在小流量的時候減少面積增益，在錐形閥口的時候?qū)﹂y口錐角改變，閥面積增益也會變化。

平衡閥組在液壓控制回路工作過程中的穩(wěn)定性和自身條件具有密切的關(guān)系，在系統(tǒng)抖動的時候，簡單外界干擾能夠?qū)ο到y(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行改變，那么尋找對平衡閥系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的因素尤為重要。比如液壓系統(tǒng)，其就相當(dāng)于平衡閥閉環(huán)條件，因為實際平衡閥系統(tǒng)較為復(fù)雜，影響因素也比較多變并且復(fù)雜，所以就要針對部分條件實現(xiàn)簡化。其一，將液壓系統(tǒng)泄露損失忽略 ；其二，將液壓系統(tǒng)壓力損失忽略 ；其三，回路中油缸負(fù)載通過重物代替 ；使液壓源作為恒流源 。

?2.4 液壓回路平衡閥的故障及措施

（1）在下降的時候爬行運(yùn)行。在系統(tǒng)陽極或者擰頭油油缸工作的時候出現(xiàn)緩慢爬行運(yùn)動，那么就會具有噪音，以此表示出行故障。要使用針對性的措施處理。因為油缸下降的時候為負(fù)載，平衡閥壓力較小，在此過程中平衡閥控制口和油缸上腔的位置失壓，油壓背壓比較小，油缸爬行。對于此情況，要對大平衡閥背壓進(jìn)行及時調(diào)整，對其下降的穩(wěn)定性進(jìn)行觀察，如果沒有震動和噪音就行。

（2）活塞回彈。在油缸實現(xiàn)下降的過程中動作已經(jīng)停止，但是還是具有沖擊聲，并且油缸活塞出現(xiàn)回彈。對其原因進(jìn)行分析，油缸在下降的過程中為負(fù)載，操作人員假如使平衡閥備壓力過大的調(diào)整，就會縮短關(guān)閉時間。對于此情況，將故障排除的時候首先要調(diào)節(jié)背壓，之后擰緊平衡閥調(diào)節(jié)螺釘，以此使關(guān)閉時間得到延長，從而使此問題得到解決。另外，還要全面檢查油缸缸體，檢查是否出現(xiàn)拉傷，假如具備拉傷的情況就要及時的更換油缸。

?3 結(jié)束語

平衡閥為液壓平衡回路中的主要控制元件，在液壓傳動技術(shù)使用越來越廣泛的過程中，如何使系統(tǒng)工作穩(wěn)定性得到保證，屬于平衡閥及平衡回路中需要解決的問題。其被廣泛應(yīng)用到起重運(yùn)輸機(jī)械、工程機(jī)械中，只要目的就是為了避免承載下降的過程中出現(xiàn)壓力

沖擊、超速、振動等問題。在塔吊設(shè)備上升或者下降的工程中，如果負(fù)載作用及運(yùn)動的方向相同在回油路色織平衡閥，實現(xiàn)平衡復(fù)雜，對執(zhí)行元件平穩(wěn)運(yùn)行進(jìn)行保證，以此使液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。所以，平衡閥性能和液壓系統(tǒng)整體工作安全性、可靠性及穩(wěn)定性具有一定的影響。

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來源文庫：?2019.05 建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理 中聯(lián)重科股份有限公司 鄒發(fā)良/ZOU Faliang