液壓平衡回路分析與應用

1、液壓平衡回路分析與應用報告者：徐懷剛 所學專業(yè)：機械設計及理論2012.5.61.平衡回路概述 在工程機械、起重機械中，為了防止立式液壓缸及工作部件因自身重力或內部泄漏而自行下滑,在活塞下行的回油路上設置產生一定背壓的液壓元件,阻止活塞下落,這種回路一般被稱為平衡回路。 平衡回路一般用于平衡與液壓力作用方向相同的重力負載。當負載下降時，在液壓缸回油腔中產生平衡活塞及運動部件自重的背壓，防止活塞或運動部件因自重超過油泵供油量所能提供的運動速度而出現(xiàn)失速現(xiàn)象，對液壓系統(tǒng)造成較大的沖擊和震動。 在液壓平衡回路中，液壓缸存在舉重上升、承載靜止和負載下行 三種基本狀態(tài)。平衡回路只在承載靜止和負載下行階段

2、起作用，且應能滿足靜止時活塞能被鎖緊，下行時速度可控，以保證活塞能被鎖定在任意位置。2.液壓平衡回路的分類 1）傳統(tǒng)順序閥平衡回路 早起液壓平衡鎖緊回路，主要由順序閥與換向閥組成，如圖 1 所示。圖 1(a) 為內控式單向順序閥平衡回路，圖 1(b) 是錐閥結構的外控式單向順序閥平衡回路。（a）內控式順序閥（b）外控式順序閥圖1.順序閥平衡回路 工作特點：在圖 1(a) 中，適當調節(jié)順序閥的開啟壓力，使其稍大于液壓缸活塞及其工作部件自重在液壓缸下腔所產生的壓力。當液壓缸下行有超越負載發(fā)生時，由于順序閥的作用在液壓缸回油腔產生一定的背壓，防止了活塞及其工作部件超速下降。這種液壓平衡回路在負載下行

3、運動時，能建立穩(wěn)定的背壓，故工作平穩(wěn)。 缺點：當順序閥調定后，若工作負載減小，則需要增加泵的輸出功率，系統(tǒng)的功率損失將增大，且負載越小，效率越低，導致系統(tǒng)發(fā)熱越快，油液溫度升高；而且滑閥結構的順序閥和換向閥存在泄漏，在承載靜止階段，活塞不能長時間停留在任意位置 應用場合：該回路不適用于工作時間長，能量消耗大的設備，如工程機械，僅用于工作負載固定且功率較小的場合。 工作特點：在圖1（b）中，液控順序閥的啟閉取決于控制油口，即液壓缸無桿腔油壓的高低。在活塞下行時，外空順序閥被液壓缸進油路上的控制壓力油打開，液壓缸回油腔背壓迅速下降，回油阻力減小，甚至消失。運動部件因自重二加速下降，勢能得以利用，系

4、統(tǒng)效率較高。 缺點：當運動部件因自重而超速下降時，會造成液壓缸上腔供油不足，進路壓力消失，外控順序閥因控制油失壓二而關閉，關閉后控制油路又會重新建立壓力，閥再次打開、關閉。由于外控順序閥時開時閉，出現(xiàn)嚴重的點頭或爬行現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定，產生較大的沖擊振動和噪聲。2）.順序閥平衡回路的改進 順序閥的基本功能是達到其調定壓力時，閥口就打開，且閥口損失要盡量小。而平衡閥則在超載發(fā)生時，使液壓缸回油腔保持合適的背壓。實踐中通過改善控制壓力的施加方式來提高外控順序閥的性能。 在順序閥的控制回路上增加可調節(jié)流閥，并將節(jié)流閥調到合適開度，使控制壓力油經足夠節(jié)流后在施加到順序閥上，使閥緩開緩閉，減少由于控制壓力

5、施加過快、過大或波動引起的液壓缸爬行現(xiàn)象，提高回路穩(wěn)定性。（a）下行回路加設單向節(jié)流閥（b）外控回路加設單向節(jié)流閥圖 2 外控順序閥改裝平衡回路 如圖2所示在油缸下部加裝單向節(jié)流閥，適當調節(jié)其開度，增加回路阻尼，提高液壓缸下行背壓，使負載下行速度穩(wěn)定。 這兩種外控順序閥平衡回路都具有平衡動態(tài)負載的功能，若液壓缸活塞因負載增加而加速下降，活塞上腔因供油不足而壓力下降，順序閥的控制壓力就下降，順序閥閥口關小，活塞速度下降，背壓相應上升，平衡重力和負載的作用增強。但液壓缸下行時仍會出現(xiàn)速度忽快忽慢的“點頭”“爬行”現(xiàn)象，平穩(wěn)性不及順序平衡回路。 為克服滑閥結構外控順序閥因泄露導致靜止支撐時間不長的問

6、題，采用錐閥結構的限速鎖替代外控順序閥，來平衡起重機等負載變化較大的工程機械。3）液控單向平衡閥平衡回路（a）液控單向閥與單向順序閥平衡回路（b）液控單向閥與單向節(jié)流閥平衡回路圖3 液控單向閥與單向節(jié)流閥平衡回路 液控單向閥平衡回路主要用于改善順序閥和單向節(jié)流閥的泄漏問題，提高平衡回路在靜止承載階段的長時間的鎖緊性能。如圖3（a）、（b）所示，換向閥中位液壓缸在其行程的任意位置上鎖緊，防止液壓缸及負載因閥泄漏自行下滑。 單向節(jié)流閥其控制活塞下行速度，防止液壓缸下行時產生沖擊和振動。由單向節(jié)流閥和M中位機能換向閥組成的平衡回路，如圖4所示。由單向節(jié)流閥調速，中位承載靜止時由換向閥鎖緊。如用單向調

7、速閥替代單向節(jié)流閥，速度穩(wěn)定性明顯提高，改平衡回路結構簡單，常用于對速度穩(wěn)定性要求不高、功能不大或功率較大但工作不頻繁的定量泵油路中。4）單向節(jié)流閥平衡回路圖4 單向節(jié)流閥平衡回路 內外控相結合的單向順序閥平衡回路，將液壓缸進出油路壓力和回油腔背壓同時作為順序閥的控制壓力。根據回油箱背壓在順序閥主閥芯上作用方向的不同，可分為兩種控制方式，如圖5所示。5）內外控結合單向順序閥平衡回路（a）平衡回路1（b）平衡回路2圖 5 內外空結合的順序閥平衡回路 在圖5(a)中，回油腔背壓和調壓彈簧力迭加后與液壓缸進油路壓力相平衡，在圖5(b)中，由于下行時背壓作用方向與彈簧力作用方向相同，所以彈簧剛度設置低

8、一些，這種調壓比較方便。 該兩種平衡回路，兼具內外控式順序閥平衡回路優(yōu)點。20()kkkPAPAkxx2A2P圖5（a）中順序閥閥芯受力平衡方程為：（1）式中：為順序閥主閥閥芯控制活塞面積；為液壓缸進出油腔油壓；kAkPkx0 x為液壓缸回油腔背壓；為順序閥主閥芯承壓面積；為彈簧剛度；為調壓彈簧的預壓縮量；為調壓彈簧在某一穩(wěn)定工況下的開口量。液壓缸受力平衡方程為：122kPAWPA（2）式中：kP為液壓缸進出油腔油壓；式中：kP為順序閥主閥閥芯控制活塞面積；為液壓缸進出油腔油壓；式中：kP為液壓缸有桿腔有效面積；為液壓缸無桿腔面積；式中：1A由式（1）、（2）得：02()kkkkAkxxPPA

9、A02()kkkkAk xxPPAA（3）（4） 對于高壓系統(tǒng)由于引入兩種控制壓力，平衡回路無論空載或是額定負載下行，外控油路上僅需較小的壓力就可以打開平衡閥，油泵供油壓力相對較小，負載下行功率損失較小。 較先前的順序閥平衡回路相比較，順序閥的控制油壓能隨著負載的變化而不斷變化，即回路自動建立穩(wěn)定的背壓，且被壓始終存在，工作比較平穩(wěn)。 隨著工程機械對液壓技術要求的不斷發(fā)展，為使液壓缸動作平穩(wěn)，已經出現(xiàn)各種適應于不同工況，例如：雙向交替超越負載、單向超越負載或液壓缸傾斜震動較小、傾斜振動較大等專用平衡閥，平衡回路性能不斷提高。 這些平衡閥在原來內外控順序閥的基礎上，一般引入其他控制油源，具有不同

10、的阻尼結構。如圖6所示。6）其他平衡閥專用平衡回路1、順序閥 2、單向順序閥 3、節(jié)流閥 4、單向閥圖6 內外控結合單向順序閥平衡回路 在實線位置時，從工作油口B引入控制油，經節(jié)流閥6、單向閥10快速進入順序閥3的控制腔，打開P2到A的閥口；在順序閥打開、控制壓力P1降低的同時，經過可調節(jié)流閥5的控制油繼續(xù)進入到順序閥3的控制腔，順序閥逐漸轉化到與負載相適應的節(jié)流位置，實現(xiàn)平穩(wěn)開啟。 當順序閥閥芯在干擾作用下往回運動時，受到節(jié)流閥的阻尼作用，使閥芯動作得到緩沖，液壓缸和負載下降動作平穩(wěn)。當超越負載反向時（圖中虛線位置），由單向順序閥及其控制油路發(fā)揮相同作用。工作原理： 專用平衡閥通過在內外控順

11、序閥控制油路上設置多個節(jié)流口和方向控制回路，使順序閥閥芯的動作過程受到多種節(jié)流阻尼器調節(jié)作用，對閥芯產生緩沖作用防止因順序閥閥芯啟閉產生的沖擊和振動。該回路確保了回路的快速反應，又對回路沖擊有著緩沖穩(wěn)定作用 該平衡閥平衡回路優(yōu)先選用在負載重且變化大，對穩(wěn)定性和鎖緊性要求高的超越負載下降機構中。結語 隨著液壓平衡技術的不斷發(fā)展，其應用場合也越來越多。不同用途的工程技術對于液壓平衡回路的性能要求也隨之不同，因此應該根據實際情況，選用與之相適應的平衡回路，以滿足實際工程技術的要求。參考文獻1 HE Cunxing, ZHANG Tiehua. Hydraulics &Pneumatics M

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