韓志引，趙慶松，劉迅

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院，山東濰坊 262500)

平衡回路工作狀況分析與改進(jìn)

韓志引，趙慶松，劉迅

(濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院，山東濰坊 262500)

對(duì)平衡回路和回路中的液壓元件進(jìn)行分析，敘述平衡回路的3種工況的工作原理，即舉重上升、承重靜止和負(fù)載下行，著重分析了承重靜止和負(fù)載下行時(shí)回路容易產(chǎn)生故障的原因，并提出有效的解決措施。

平衡回路;順序閥;中位機(jī)能;單向節(jié)流閥;液控單向閥

立式液壓缸及工作部件在運(yùn)行時(shí)，往往因自身重力而自行下落，造成工作部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)速度失控，為了防止這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，可在活塞下行的回路上設(shè)置能產(chǎn)生一定背壓的液壓元件，阻止活塞下落，并還可以使工作部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)能承重靜止在任一點(diǎn)，這種回路稱為平衡回路 (背壓回路)。作者從平衡回路的作用出發(fā)，通過(guò)對(duì)回路的液壓元件進(jìn)行分析，特別是對(duì)承重靜止和負(fù)載下行過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，糾正了一些不正確觀點(diǎn)，從而為液壓平衡回路的設(shè)計(jì)提出了有益的建議。

1 常用平衡回路的分析

平衡回路主要有舉重上升、承重靜止、負(fù)載下行3種工況，要使立式液壓缸在承重運(yùn)動(dòng)時(shí)能在任一點(diǎn)上靜止，或在負(fù)載下行時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件下行速度可控，承受負(fù)值負(fù)載的能力好，現(xiàn)針對(duì)圖1兩種常見(jiàn)的平衡回路做簡(jiǎn)要分析。

圖1 兩種常見(jiàn)的平衡回路

1.1 舉重上升

在圖1(a)所示采用單向順序閥的平衡回路中，當(dāng)主換向閥 (三位四通電磁換向閥)右位時(shí)，高壓油推開(kāi)單向閥，開(kāi)始往立式缸下腔輸送，使重物上升，上腔油液受到擠壓，順勢(shì)通過(guò)管道往油箱中排放，這一工況一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，但由于主換向閥(閥芯為滑閥結(jié)構(gòu))和普通單向閥泄漏嚴(yán)重，使重物上升時(shí)，不能按預(yù)期的速度和時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)。圖1(b)采用液控單向閥和單向節(jié)流閥的平衡回路在這一工況中存在著相同的問(wèn)題。

1.2 承重靜止

圖1(a)采用單向順序閥的平衡回路和 (b)采用液控單向閥和單向節(jié)流閥的平衡回路在這一工況中都會(huì)使主換向閥處于中位，泵卸荷，重物靜止。重物通過(guò)活塞對(duì)液壓缸有桿缸的密封油液施力，利用“背油”把重物支持在某一固定位置?！氨秤汀敝阅墚a(chǎn)生，是由圖1(a)中的單向順序閥和圖1(b)中的單向節(jié)流閥和液控單向閥形成的。這一工況對(duì)所有的密封裝置均提出了嚴(yán)格的要求，應(yīng)盡量做到滴油不漏，才能防止重物在靜止時(shí)不自然下行。致使重物自然沉降的原因，主要有普通單向閥密封性差和液壓缸活塞部位密封性不良造成的。在工程機(jī)械的使用維修過(guò)程中，經(jīng)常由于不能正確判斷，區(qū)分造成重物自然下沉的原因，而使故障得不到及時(shí)的排除。對(duì)此，采用“泄漏觀察法”進(jìn)行分析，可及時(shí)正確查找出故障原因。

比較圖1(a)和圖1(b)，圖1(b)采用液控單向閥和單向節(jié)流閥的平衡回路承重靜止性能更好一些，因?yàn)橐嚎貑蜗蜷y是錐面密封，跟圖1(a)中的普通單向閥相比較，泄漏極小，因此圖1(b)的承重靜止性能較圖1(a)好。

并且正確選擇換向閥的中位機(jī)能對(duì)承重靜止這一工況也起著很重要的作用，換向閥的中位機(jī)能應(yīng)使液壓鎖 (如圖1(a)中的普通單向閥和圖1(b)中的液控單向閥)的控制油液卸壓，以保證換向閥中位接入回路時(shí)，液壓鎖能立即關(guān)閉，活塞停止并鎖緊靜止不動(dòng)。圖1(a)換向閥采用M型的中位機(jī)能，這種中位機(jī)能能使泵及時(shí)卸荷，但由于液壓缸兩腔封閉，普通單向閥進(jìn)口處高壓油仍存在一定的壓力，不能及時(shí)卸荷，造成普通單向閥不能及時(shí)關(guān)閉，直至由于換向閥泄漏使控制油液壓力下降到一定值后，普通單向閥才能關(guān)閉，這就降低了承重靜止的精度。圖1(b)K型中位機(jī)能也存在著相同的設(shè)計(jì)誤區(qū)，假設(shè)圖 (b)重物在舉升過(guò)程中需承載靜止，那K型中位機(jī)能將液控單向閥進(jìn)口處的高壓油封閉，這里的高壓油同樣存在一定壓力，得不到及時(shí)卸荷，造成液控單向閥不能及時(shí)關(guān)閉，最后造成的后果同圖1(a)。所以在平衡回路中所使用的換向閥應(yīng)采用H型或Y型中位機(jī)能，如圖2所示。

圖2 H型和Y型中位機(jī)能

1.3 負(fù)載下行

在負(fù)載下行時(shí)，希望平衡回路有很好的承受負(fù)值負(fù)載的能力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度受控性好，當(dāng)圖1(a)和圖1(b)主換向閥處于左位工作時(shí)，如果回油路上沒(méi)有任何的背壓閥，管路連通后，回油腔沒(méi)有任何的背壓力，液壓缸活塞在重物的怍用下，就會(huì)產(chǎn)生超速下降，為使重物避免超速下降，液壓缸無(wú)桿腔應(yīng)具有足夠的背壓，因此圖1(a)單向順序閥就起到背壓的作用，即調(diào)整順序閥的開(kāi)啟壓力ps，使其與液壓缸下腔作用面積的乘積稍大于垂直運(yùn)動(dòng)部件的重力，即可防止活塞因重力下滑，ps至少應(yīng)滿足:

式中:ps為順序閥的開(kāi)啟壓力 (即回油腔的背壓力)，Pa;

A2為液壓缸有桿腔受壓面積，m2;

G為重物的重力，N。

圖1(a)若液壓缸無(wú)桿腔壓力也為p1，無(wú)桿腔的面積為A1，則缸均勻下降的條件為:

式中:p1為進(jìn)油腔壓力 (無(wú)桿腔壓力)，Pa;

φ為缸的往復(fù)速比;

pG為負(fù)載所建立的壓力，pG=G/A2，Pa;

ps為順序閥的開(kāi)啟壓力 (即回油腔的背壓力)，Pa。

單向順序閥的開(kāi)啟壓力就是保證式 (2)的條件。當(dāng)重物拖動(dòng)活塞不斷下降時(shí)，泵同時(shí)通過(guò)主換向閥開(kāi)始往液壓缸無(wú)桿腔供油，無(wú)桿腔產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力加上重物自身向下的重力，使回油腔壓力增大，順序閥被開(kāi)啟，但由于順序閥能起到一定的背壓，所以泵排出來(lái)的油液分兩支路排放，一支路通過(guò)主換向閥到達(dá)液壓缸無(wú)桿腔，另一支路通過(guò)溢流閥溢回油箱，因此，在某一時(shí)間段內(nèi)，液壓缸上腔油液壓力由于溢流閥的溢流而時(shí)高時(shí)低，那回油路上的順序閥會(huì)時(shí)開(kāi)時(shí)閉，從而造成液壓缸的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。若工作負(fù)載減小，由于順序閥壓力已調(diào)定，所以系統(tǒng)的功率損失將增大，效率降低。因此，該回路不適合速度穩(wěn)定性要求高、負(fù)載變化大的場(chǎng)合。

圖1(b)采用液控單向閥和單向節(jié)流閥的平衡回路?；芈飞洗?lián)單向節(jié)流閥，用于控制回油腔流量，從而控制了缸負(fù)載下行的速度，使其具有良好的承受負(fù)值負(fù)載的能力，但依然無(wú)法保證當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因?yàn)楣?jié)流閥出口節(jié)流調(diào)速回路速度負(fù)載特性軟，即節(jié)流閥進(jìn)出口兩端之間的壓力差隨負(fù)載變化大，從而無(wú)法保證流量的穩(wěn)定性，缸的運(yùn)動(dòng)速度自然無(wú)法保證:

式中:q為通過(guò)節(jié)流閥的流量;

C為由節(jié)流閥孔的形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù);

AT為節(jié)流口的通流面積;

Δp為節(jié)流閥進(jìn)出口兩端之間的壓力差，在圖1(b)中指的是液壓缸回油腔的壓力;

m為由節(jié)流閥孔的長(zhǎng)徑比決定的指數(shù)。

2 改進(jìn)措施分析

通過(guò)分析現(xiàn)有兩種常見(jiàn)的平衡回路，可得出:圖1(b)較圖1(a)好，但仍存在缺點(diǎn)，即承重靜止時(shí)，主換向閥的中位機(jī)能應(yīng)改為Y型或H型;負(fù)載下行時(shí)，當(dāng)負(fù)載力發(fā)生變化時(shí)，節(jié)流閥的流量不穩(wěn)定，從而使得重物不能勻速下降。

假設(shè)在圖1(b)的基礎(chǔ)上把主換向閥的中位機(jī)能改成H型和Y型的，對(duì)整個(gè)回路來(lái)講有益而無(wú)弊，如圖3所示。

圖3 中位機(jī)能改進(jìn)后的平衡回路

又由于節(jié)流閥用來(lái)調(diào)速，但其進(jìn)出口兩端之間的壓力差隨負(fù)載變化大，即速度負(fù)載特性軟，那可將節(jié)流閥換為調(diào)速閥，這樣既能控制負(fù)載下行時(shí)的速度，又能保證執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，這一點(diǎn)完全是由調(diào)速閥里的定差減壓閥決定的，如圖4所示。

圖4 流量控制閥改進(jìn)后的平衡回路

但問(wèn)題又出現(xiàn)了，雖然解決了速度穩(wěn)定性問(wèn)題，但因多了定差減壓閥的功率損失，使得回路功率損失增大，發(fā)熱量大，效率降低。

若將圖1(a)里的普通單向閥換成液控單向閥，其承重靜止這一工況改善良好，但其在負(fù)載下行這一工況，為使執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可在進(jìn)油路或回油路上安裝能控制流速的液壓閥，產(chǎn)生的問(wèn)題與圖1(a)的改進(jìn)措施里所產(chǎn)生的問(wèn)題相同。

3 結(jié)束語(yǔ)

液壓缸平衡回路是一個(gè)普通常見(jiàn)回路，在舉重上升、承重靜止這兩工況階段主要問(wèn)題在于泄漏，但泄漏這一現(xiàn)象很難根除，但可降低。而負(fù)載下行這一工況主要是速度的可控性和穩(wěn)定性，通過(guò)分析常見(jiàn)的那兩種回路只適合固定負(fù)載，分析改進(jìn)后的平衡回路可知:用調(diào)速閥取代節(jié)流閥，在保證了可控性和穩(wěn)定性良好的前提下，回路功率損失將增大，效率會(huì)降低，就像一個(gè)事物的產(chǎn)生一樣，有好的一面肯定也有不好一面。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求來(lái)舍其一，如在一些速度穩(wěn)定性要求高的小功率系統(tǒng)中和速度穩(wěn)定性要求不高的大功率系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)具體情況，正確擬定液壓原理，合理選擇元件參數(shù)，分析系統(tǒng)中的變化情況，對(duì)于可調(diào)元件，應(yīng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行設(shè)定，這樣才能保證系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)行。

【1】袁承訓(xùn).液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【2】趙家文.液壓平衡回路的分析與改進(jìn)［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(1):186 －187.

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【5】黨育哲.液壓平衡回路穩(wěn)定性與爬行原因的分析［J］.機(jī)床與液壓，2004(10):266－267.

TH137

B

1001－3881(2013)8－143－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.050

2012－03－07

韓志引 (1985—)，女，本科，助教，主要從事液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)、數(shù)控編程與操作及工程機(jī)械液壓、液力系統(tǒng)的故障診斷與維修等方向的研究。E－mail:cy7800@yahoo.cn。