液压平衡回路分析及应用

1、液压平衡回路分析与应用报告者：徐怀刚 所学专业：机械设计及理论2012.5.61.平衡回路概述 在工程机械、起重机械中，为了防止立式液压缸及工作部件因自身重力或内部泄漏而自行下滑,在活塞下行的回油路上设置产生一定背压的液压元件,阻止活塞下落,这种回路一般被称为平衡回路。 平衡回路一般用于平衡与液压力作用方向相同的重力负载。当负载下降时，在液压缸回油腔中产生平衡活塞及运动部件自重的背压，防止活塞或运动部件因自重超过油泵供油量所能提供的运动速度而出现失速现象，对液压系统造成较大的冲击和震动。 在液压平衡回路中，液压缸存在举重上升、承载静止和负载下行 三种基本状态。平衡回路只在承载静止和负载下行阶段

2、起作用，且应能满足静止时活塞能被锁紧，下行时速度可控，以保证活塞能被锁定在任意位置。2.液压平衡回路的分类 1）传统顺序阀平衡回路 早起液压平衡锁紧回路，主要由顺序阀与换向阀组成，如图 1 所示。图 1(a) 为内控式单向顺序阀平衡回路，图 1(b) 是锥阀结构的外控式单向顺序阀平衡回路。（a）内控式顺序阀（b）外控式顺序阀图1.顺序阀平衡回路 工作特点：在图 1(a) 中，适当调节顺序阀的开启压力，使其稍大于液压缸活塞及其工作部件自重在液压缸下腔所产生的压力。当液压缸下行有超越负载发生时，由于顺序阀的作用在液压缸回油腔产生一定的背压，防止了活塞及其工作部件超速下降。这种液压平衡回路在负载下行

3、运动时，能建立稳定的背压，故工作平稳。 缺点：当顺序阀调定后，若工作负载减小，则需要增加泵的输出功率，系统的功率损失将增大，且负载越小，效率越低，导致系统发热越快，油液温度升高；而且滑阀结构的顺序阀和换向阀存在泄漏，在承载静止阶段，活塞不能长时间停留在任意位置 应用场合：该回路不适用于工作时间长，能量消耗大的设备，如工程机械，仅用于工作负载固定且功率较小的场合。 工作特点：在图1（b）中，液控顺序阀的启闭取决于控制油口，即液压缸无杆腔油压的高低。在活塞下行时，外空顺序阀被液压缸进油路上的控制压力油打开，液压缸回油腔背压迅速下降，回油阻力减小，甚至消失。运动部件因自重二加速下降，势能得以利用，系

4、统效率较高。 缺点：当运动部件因自重而超速下降时，会造成液压缸上腔供油不足，进路压力消失，外控顺序阀因控制油失压二而关闭，关闭后控制油路又会重新建立压力，阀再次打开、关闭。由于外控顺序阀时开时闭，出现严重的点头或爬行现象，运动不稳定，产生较大的冲击振动和噪声。2）.顺序阀平衡回路的改进 顺序阀的基本功能是达到其调定压力时，阀口就打开，且阀口损失要尽量小。而平衡阀则在超载发生时，使液压缸回油腔保持合适的背压。实践中通过改善控制压力的施加方式来提高外控顺序阀的性能。 在顺序阀的控制回路上增加可调节流阀，并将节流阀调到合适开度，使控制压力油经足够节流后在施加到顺序阀上，使阀缓开缓闭，减少由于控制压力

5、施加过快、过大或波动引起的液压缸爬行现象，提高回路稳定性。（a）下行回路加设单向节流阀（b）外控回路加设单向节流阀图 2 外控顺序阀改装平衡回路 如图2所示在油缸下部加装单向节流阀，适当调节其开度，增加回路阻尼，提高液压缸下行背压，使负载下行速度稳定。 这两种外控顺序阀平衡回路都具有平衡动态负载的功能，若液压缸活塞因负载增加而加速下降，活塞上腔因供油不足而压力下降，顺序阀的控制压力就下降，顺序阀阀口关小，活塞速度下降，背压相应上升，平衡重力和负载的作用增强。但液压缸下行时仍会出现速度忽快忽慢的“点头”“爬行”现象，平稳性不及顺序平衡回路。 为克服滑阀结构外控顺序阀因泄露导致静止支撑时间不长的问

6、题，采用锥阀结构的限速锁替代外控顺序阀，来平衡起重机等负载变化较大的工程机械。3）液控单向平衡阀平衡回路（a）液控单向阀与单向顺序阀平衡回路（b）液控单向阀与单向节流阀平衡回路图3 液控单向阀与单向节流阀平衡回路 液控单向阀平衡回路主要用于改善顺序阀和单向节流阀的泄漏问题，提高平衡回路在静止承载阶段的长时间的锁紧性能。如图3（a）、（b）所示，换向阀中位液压缸在其行程的任意位置上锁紧，防止液压缸及负载因阀泄漏自行下滑。 单向节流阀其控制活塞下行速度，防止液压缸下行时产生冲击和振动。由单向节流阀和M中位机能换向阀组成的平衡回路，如图4所示。由单向节流阀调速，中位承载静止时由换向阀锁紧。如用单向调

7、速阀替代单向节流阀，速度稳定性明显提高，改平衡回路结构简单，常用于对速度稳定性要求不高、功能不大或功率较大但工作不频繁的定量泵油路中。4）单向节流阀平衡回路图4 单向节流阀平衡回路 内外控相结合的单向顺序阀平衡回路，将液压缸进出油路压力和回油腔背压同时作为顺序阀的控制压力。根据回油箱背压在顺序阀主阀芯上作用方向的不同，可分为两种控制方式，如图5所示。5）内外控结合单向顺序阀平衡回路（a）平衡回路1（b）平衡回路2图 5 内外空结合的顺序阀平衡回路 在图5(a)中，回油腔背压和调压弹簧力迭加后与液压缸进油路压力相平衡，在图5(b)中，由于下行时背压作用方向与弹簧力作用方向相同，所以弹簧刚度设置低

8、一些，这种调压比较方便。 该两种平衡回路，兼具内外控式顺序阀平衡回路优点。20()kkkPAPAkxx2A2P图5（a）中顺序阀阀芯受力平衡方程为：（1）式中：为顺序阀主阀阀芯控制活塞面积；为液压缸进出油腔油压；kAkPkx0 x为液压缸回油腔背压；为顺序阀主阀芯承压面积；为弹簧刚度；为调压弹簧的预压缩量；为调压弹簧在某一稳定工况下的开口量。液压缸受力平衡方程为：122kPAWPA（2）式中：kP为液压缸进出油腔油压；式中：kP为顺序阀主阀阀芯控制活塞面积；为液压缸进出油腔油压；式中：kP为液压缸有杆腔有效面积；为液压缸无杆腔面积；式中：1A由式（1）、（2）得：02()kkkkAkxxPPA

9、A02()kkkkAk xxPPAA（3）（4） 对于高压系统由于引入两种控制压力，平衡回路无论空载或是额定负载下行，外控油路上仅需较小的压力就可以打开平衡阀，油泵供油压力相对较小，负载下行功率损失较小。 较先前的顺序阀平衡回路相比较，顺序阀的控制油压能随着负载的变化而不断变化，即回路自动建立稳定的背压，且被压始终存在，工作比较平稳。 随着工程机械对液压技术要求的不断发展，为使液压缸动作平稳，已经出现各种适应于不同工况，例如：双向交替超越负载、单向超越负载或液压缸倾斜震动较小、倾斜振动较大等专用平衡阀，平衡回路性能不断提高。 这些平衡阀在原来内外控顺序阀的基础上，一般引入其他控制油源，具有不同

10、的阻尼结构。如图6所示。6）其他平衡阀专用平衡回路1、顺序阀 2、单向顺序阀 3、节流阀 4、单向阀图6 内外控结合单向顺序阀平衡回路 在实线位置时，从工作油口B引入控制油，经节流阀6、单向阀10快速进入顺序阀3的控制腔，打开P2到A的阀口；在顺序阀打开、控制压力P1降低的同时，经过可调节流阀5的控制油继续进入到顺序阀3的控制腔，顺序阀逐渐转化到与负载相适应的节流位置，实现平稳开启。 当顺序阀阀芯在干扰作用下往回运动时，受到节流阀的阻尼作用，使阀芯动作得到缓冲，液压缸和负载下降动作平稳。当超越负载反向时（图中虚线位置），由单向顺序阀及其控制油路发挥相同作用。工作原理： 专用平衡阀通过在内外控顺

11、序阀控制油路上设置多个节流口和方向控制回路，使顺序阀阀芯的动作过程受到多种节流阻尼器调节作用，对阀芯产生缓冲作用防止因顺序阀阀芯启闭产生的冲击和振动。该回路确保了回路的快速反应，又对回路冲击有着缓冲稳定作用 该平衡阀平衡回路优先选用在负载重且变化大，对稳定性和锁紧性要求高的超越负载下降机构中。结语 随着液压平衡技术的不断发展，其应用场合也越来越多。不同用途的工程技术对于液压平衡回路的性能要求也随之不同，因此应该根据实际情况，选用与之相适应的平衡回路，以满足实际工程技术的要求。参考文献1 HE Cunxing, ZHANG Tiehua. Hydraulics &Pneumatics M. Wu

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