液壓平衡回路分析與應(yīng)用

1、液壓平衡回路分析與應(yīng)用報(bào)告者：徐懷剛 所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論2012.5.61.平衡回路概述 在工程機(jī)械、起重機(jī)械中，為了防止立式液壓缸及工作部件因自身重力或內(nèi)部泄漏而自行下滑,在活塞下行的回油路上設(shè)置產(chǎn)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(fù)載。當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，在液壓缸回油腔中產(chǎn)生平衡活塞及運(yùn)動(dòng)部件自重的背壓，防止活塞或運(yùn)動(dòng)部件因自重超過油泵供油量所能提供的運(yùn)動(dòng)速度而出現(xiàn)失速現(xiàn)象，對(duì)液壓系統(tǒng)造成較大的沖擊和震動(dòng)。 在液壓平衡回路中，液壓缸存在舉重上升、承載靜止和負(fù)載下行 三種基本狀態(tài)。平衡回路只在承載靜止和負(fù)載下行階段

2、起作用，且應(yīng)能滿足靜止時(shí)活塞能被鎖緊，下行時(shí)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(nèi)控式單向順序閥平衡回路，圖 1(b) 是錐閥結(jié)構(gòu)的外控式單向順序閥平衡回路。（a）內(nèi)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(diǎn)：在圖 1(a) 中，適當(dāng)調(diào)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(chǎn)生的壓力。當(dāng)液壓缸下行有超越負(fù)載發(fā)生時(shí)，由于順序閥的作用在液壓缸回油腔產(chǎn)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(fù)載下行

3、運(yùn)動(dòng)時(shí)，能建立穩(wěn)定的背壓，故工作平穩(wěn)。 缺點(diǎn)：當(dāng)順序閥調(diào)定后，若工作負(fù)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(fù)載越小，效率越低，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱越快，油液溫度升高；而且滑閥結(jié)構(gòu)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(shí)間停留在任意位置 應(yīng)用場合：該回路不適用于工作時(shí)間長，能量消耗大的設(shè)備，如工程機(jī)械，僅用于工作負(fù)載固定且功率較小的場合。 工作特點(diǎn)：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(shí)，外空順序閥被液壓缸進(jìn)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(yùn)動(dòng)部件因自重二加速下降，勢(shì)能得以利用，系

4、統(tǒng)效率較高。 缺點(diǎn)：當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件因自重而超速下降時(shí)，會(huì)造成液壓缸上腔供油不足，進(jìn)路壓力消失，外控順序閥因控制油失壓二而關(guān)閉，關(guān)閉后控制油路又會(huì)重新建立壓力，閥再次打開、關(guān)閉。由于外控順序閥時(shí)開時(shí)閉，出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)頭或爬行現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)和噪聲。2）.順序閥平衡回路的改進(jìn) 順序閥的基本功能是達(dá)到其調(diào)定壓力時(shí)，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(shí)，使液壓缸回油腔保持合適的背壓。實(shí)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(diào)節(jié)流閥，并將節(jié)流閥調(diào)到合適開度，使控制壓力油經(jīng)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(dòng)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(shè)單向節(jié)流閥（b）外控回路加設(shè)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(dāng)調(diào)節(jié)其開度，增加回路阻尼，提高液壓缸下行背壓，使負(fù)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(dòng)態(tài)負(fù)載的功能，若液壓缸活塞因負(fù)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(guān)小，活塞速度下降，背壓相應(yīng)上升，平衡重力和負(fù)載的作用增強(qiáng)。但液壓缸下行時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)速度忽快忽慢的“點(diǎn)頭”“爬行”現(xiàn)象，平穩(wěn)性不及順序平衡回路。 為克服滑閥結(jié)構(gòu)外控順序閥因泄露導(dǎo)致靜止支撐時(shí)間不長的問

6、題，采用錐閥結(jié)構(gòu)的限速鎖替代外控順序閥，來平衡起重機(jī)等負(fù)載變化較大的工程機(jī)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(shí)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(fù)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(shí)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。由單向節(jié)流閥和M中位機(jī)能換向閥組成的平衡回路，如圖4所示。由單向節(jié)流閥調(diào)速，中位承載靜止時(shí)由換向閥鎖緊。如用單向調(diào)

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(jié)構(gòu)簡單，常用于對(duì)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(nèi)外控相結(jié)合的單向順序閥平衡回路，將液壓缸進(jìn)出油路壓力和回油腔背壓同時(shí)作為順序閥的控制壓力。根據(jù)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(nèi)外控結(jié)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(nèi)外空結(jié)合的順序閥平衡回路 在圖5(a)中，回油腔背壓和調(diào)壓彈簧力迭加后與液壓缸進(jìn)油路壓力相平衡，在圖5(b)中，由于下行時(shí)背壓作用方向與彈簧力作用方向相同，所以彈簧剛度設(shè)置低

8、一些，這種調(diào)壓比較方便。 該兩種平衡回路，兼具內(nèi)外控式順序閥平衡回路優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)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(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量；為調(diào)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(fù)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(duì)較小，負(fù)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(fù)載的變化而不斷變化，即回路自動(dòng)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(jī)械對(duì)液壓技術(shù)要求的不斷發(fā)展，為使液壓缸動(dòng)作平穩(wěn)，已經(jīng)出現(xiàn)各種適應(yīng)于不同工況，例如：雙向交替超越負(fù)載、單向超越負(fù)載或液壓缸傾斜震動(dòng)較小、傾斜振動(dòng)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(nèi)外控順序閥的基礎(chǔ)上，一般引入其他控制油源，具有不同

10、的阻尼結(jié)構(gòu)。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(nèi)外控結(jié)合單向順序閥平衡回路 在實(shí)線位置時(shí)，從工作油口B引入控制油，經(jīng)節(jié)流閥6、單向閥10快速進(jìn)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(shí)，經(jīng)過可調(diào)節(jié)流閥5的控制油繼續(xù)進(jìn)入到順序閥3的控制腔，順序閥逐漸轉(zhuǎn)化到與負(fù)載相適應(yīng)的節(jié)流位置，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)開啟。 當(dāng)順序閥閥芯在干擾作用下往回運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到節(jié)流閥的阻尼作用，使閥芯動(dòng)作得到緩沖，液壓缸和負(fù)載下降動(dòng)作平穩(wěn)。當(dāng)超越負(fù)載反向時(shí)（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(nèi)外控順

11、序閥控制油路上設(shè)置多個(gè)節(jié)流口和方向控制回路，使順序閥閥芯的動(dòng)作過程受到多種節(jié)流阻尼器調(diào)節(jié)作用，對(duì)閥芯產(chǎn)生緩沖作用防止因順序閥閥芯啟閉產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)。該回路確保了回路的快速反應(yīng)，又對(duì)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(fù)載重且變化大，對(duì)穩(wěn)定性和鎖緊性要求高的超越負(fù)載下降機(jī)構(gòu)中。結(jié)語 隨著液壓平衡技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用場合也越來越多。不同用途的工程技術(shù)對(duì)于液壓平衡回路的性能要求也隨之不同，因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選用與之相適應(yīng)的平衡回路，以滿足實(shí)際工程技術(shù)的要求。參考文獻(xiàn)1 HE Cunxing, ZHANG Tiehua. Hydraulics &Pneumatics M

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