平衡回路辨析

液压平衡回路辨析姚平喜张晓俊（太原理工大学机械工程学院030024）内容摘要：本文通过对平衡回路进行系统分析的基础上，对教材中一些不准确的提法给予了校正，指出了通常所用的平衡回路的不足，给出了一种改进的平衡回路，同时提出了一种新原理的平衡阀。关键字：平衡回路设计准则平衡阀顺序阀DifferentiationandAnalysisoftheHydraulicBalancingCircuitYaopingxi,Zhangxiaojun(CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)Abstract:Inthispaper,basedonthesystemanalysisofthebalancingcircuit,someunfaithfulparlancesinteachingmaterialsareemendated,theinsufficiencyofbalancingcircuitusedinpasttimeispointedout,animprovedbalancingcircuitiseduced.Atthesametime,anewprinciplebalancingvalveisputforward.Keywords:balancingcircuit;designprinciple;balancingvalve;priorityvalve1引言液压平衡回路是为了防止立式液压缸与垂直运动的工作部件由于自重而自行下落造成冲击而在回路上设置适当的阻力，产生一定的背压使其平稳下降的回路[1][2][3][4][5]。其广泛应用于工程机械、起重机械以及一些具有垂直运动部件的场合[6][7][8][9][10]。然而在包括液压工程手册]在内的一些液压的教科书，对平衡回路的阐述都存在一些问题，关于这一点文献[11]有过论述，但由于不是专门论述，因此也存在不全面之嫌疑。本文从液压平衡回路的定义出发，通过对各种液压平衡回路的分析，指出其存在的问题，特别是对其负载下行过程中存在的问题进行了深入的探讨，纠正了一些概念，从而为液压平衡回路的设计、液压平衡阀的设计提出了有益的建议。2教材中关于平衡回路论述的剖析教材中对平衡回路只作了工作原理的简单介绍，对其内部的控制参数间的关系未进行深入讨论，所以难以发现有些基本回路中的设计错误，甚至给出了错误结论。关于平衡回路的讨论中，就选用自控式（内控式）平衡阀（顺序阀）和远控式（外控式）平衡阀所构成的回路进行了比较分析，给出了如下结论：“图1（a）中调整平衡阀1的开启压力稍大于立式缸活塞和工作部件自重所形成的下腔背压即可防止运动部件的自行下落。这种回路在活塞向a)b)c)图1平衡回路下运动时，回油腔有一定的背压，故运动平稳，但功率损耗较大。如改用图（b）所示的远控式平衡阀组成的平衡回路，在活塞向下运动时，远控平衡阀被进油路上的控制油打开，回油腔背压消失，运动部件的势能得以利用，系统效率较高。远控平衡阀的开启压力与回油腔背压无关……。必须指出这种回路在回油路上应串入单向节流阀，以控制活塞的下降速度”。[4]这一结论中有两处错误，错误之一是说采用远控阀比采用自控阀的平衡回路系统效率高。错误之二是说图1(b)中的单向节流阀用于控制活塞的下降速度。[11]如何判断这一结论中的错误呢？首先要对这两个回路中的能量关系进行分析比较。不难发现，平衡回路就是要将回路中的负载所产生的能量（在这里表现为势能）吸收并转化为热能形式释放，因此，无论采用自控式还是远控式平衡阀，油缸回油腔的背压p2都是用以实现平衡所必须的条件，应满足12212ppAAAW（式中，p1为上腔压力；p2为下腔压力；W为负载重量；A1为上腔面积；A2为下腔面积）。此外图1(b)中没有单向节流阀系统就无法正常工作[9][10][12]。因为图1(b)中如不串单向节流阀时，虽然远控平衡阀的开启压力可以很小，但由于油缸回油腔建立不起压力，活塞就会在重力作用下加速下滑，当上腔油液不足以补充时，上腔压力就会低于平衡阀的打开压力，平衡阀就会关闭，活塞就会停止下行。如此反复，就会出现平衡回路中常见的俗称为“点头”的故障现象。这在系统中是不允许的。因此，无需讨论没有单向节流阀的情况。在这种情况下，由于图1（b）中必须有打开顺序阀的控制压力pk(这里pk=p1)，要维持一定的重量，所需的背压p2更大，因此效率更低，而不是教材上所说的效率较高。事实上，在平衡回路中，就是要通过产生背压平衡掉重力这一超越负载，效率高低只取决于对内控顺序阀的调定，而在有单向节流阀的回路中，取决于对节流阀的调定，只要调节合适，效率就高，反之效率就低。另外只要系统中的溢流阀不工作，泵所有的输出流量全部进入上腔，下降速度并不能调节，而要达到调节速度的目的，上腔压力必须达到溢流阀设定的压力，而该压力应该是由起升所需要的压力调定的。因此，图1(b)中的单向节流阀是用来建立背压而不是用来调速的。3液压平衡回路的平衡分析平衡回路的功用在于使执行元件保持一定的背压力，以便与重力负载相平衡。平衡回路要求结构简单、闭锁性能好、工作可靠[5]。任何平衡回路工作过程中,均有三种运动状态,即举重上升,承载静止,负载下行。目前平衡回路存在的主要问题是承载下行过程中稳定性较差。[12]一般举重上升过程系统处于稳定工作状态，这里不作讨论。只对承载静止和负载下行过程加以讨论。在承载静止过程中，图1（a）和图1(b)中由于滑阀结构的顺序阀和换向阀存在泄漏，活塞不可能长时间停在任意位置，故这种回路适用于工作负载固定且活塞闭锁要求不高的场合。而图1(c)所示的采用液控单向阀的平衡回路，由于液控单向阀是锥面密封，泄漏量小，故其闭锁性能好，活塞能够长时间停止不动。如果图1(b)中的顺序阀采用特殊结构设计的平衡阀，由于其也采用锥面密封，也可以维持活塞长时间停止不动。负载下行过程中，要保证活塞在重力负载的作用下平稳下降，必须满足两个方面的平衡，一方面是力的平衡问题，另一方面是速度的平衡问题（流量连续问题）。如图1所示，为达到力平衡，其背压为12212ppAAAW（1）其流量连续方程要求2211AQAQ（2）对于平衡回路，典型工况无外乎两种，一种是w恒定，诸如液压机的活塞和滑块的重量、推土机工作装置的升降、装载机和挖掘机及起重机动臂的升降等。另一种则是w变化的情况，诸如起重机吊重的升降等。当w恒定时，只要让p1维持恒定，由公式(1)可知，就可维持p2恒定。在这种情况下，只要p1=0或趋近于0，就可以让p2很小，从而达到节能或提高效率的问题。这种情况下，图1(a)所示的平衡回路可以达到更高的效率。而图1(b)和(c)所示的平衡回路则由于存在需要打开远控顺序阀或液控单向阀的控制压力，p1必须存在，且当A1/A2较大时，则所需的p2就较大，因此系统的效率就较低。另外，在这种情况下，由于有：222pAKQrL（3）由式（2）有1122QAAQ，所以有22122112pAAAKQAAQrL（4）系统提供的流量Q1恒定的情况下，由式（4）可导出此时节流阀的开口面积Ar。事实上，由公式(1)可知，当W恒定时，P2的大小取决于p1的大小。只要维持p1在一个较小的值，就可以维持P2在一个较小的值。综上，可以给出平衡回路设计与选用的基本原则如表1所示：表1平衡回路设计与选用正确方法回路名称使用条件能源消耗负载(W)闭锁性能其它主动产生的热量图1(a)变化不大不严格约为02222QQpAW图1(b)不严格P1Q12122)(212QpQpAAAW图1(c)严格P1Q12122)(212QpQpAAAW从表1可以看出，图1(c)所示的回路是一个较好的平衡回路，系统既可以满足负载的变化，又可以在停止位置维持较好的闭锁性能。如果图1(b)中的顺序阀采用特殊设计的顺序阀，也可以达到图1(c)的效果。但这两种回路由于必须存在打开顺序阀或液控单向阀的压力（这里为p1），则系统正常工作需要消耗一定的能量（P1Q1），系统会产生大量的热。如果要让p1维持很小的值，一方面可以通过加大远控顺序阀或液控单向阀控制活塞的面积，但这要以加大阀的体积等为代价。另一方面可以让pk维持阀门的控制压力而让p1取很小的值，甚或等于0。这可以由另外的控制回路来实现，也可以采用如图2所示的回路。通过增加一个单向节流阀（图2中虚框中），可以让p1与pk无关，从而可以通过调节让p1趋近于0。图2一种改进的平衡回路基于以上的分析，我们给出了一种新结构原理的平衡阀，原理如图3所示。具体的分析将在另外的文章中给出。上腔下腔油泵油箱图3新原理平衡阀使用该新原理平衡阀，停止不动时，由锥面密封的单向阀保持良好的闭锁性。负重下行时，由节流阀平衡负载重量，随着负载重量的变化，自动控制节流阀的开口面积，从而适应负载的变化。因此本阀可以满足各种平衡回路的需求。4结论本文通过对平衡回路进行系统分析的基础上，指出了传统平衡回路的不足，给出了一种改进的平衡回路，同时提出了一种新原理的平衡阀。参考文献：[1]陈奎生主编，液压与气压传动，武汉：武汉理工大学出版社，2001年[2]许福玲陈尧明，液压与气压传动，北京：机械工业出版社，1999年[3]章宏甲黄谊，液压传动，北京：机械工业出版社，1996年[4]官忠范主编，液压传动系统，北京：机械工业出版社，1989年6月[5]雷天觉主编，液压工程手册，北京：机械工业出版社，1990年[6]郭政军，罗公粮，平衡回路振动原因分析，建设机械技术与管理，2002（6）[7]易伟平，汽车起重机平衡回路分析，专用汽车，1998.4[8]丰收，混凝土泵车平衡回路的故障排除，工程机械与维修，1995(6)[9]贺劲，液压步履式桩架起架机构平衡回路的改进设计，建设机械技术与管理，1995年第4期（总第42期）[10]赵春红，起重机液压平衡回路的改进，工程机械与维修，2000（4）[11]姚丁曦周庆熊，《液压传动系统》教学中的思考与实践，太原工业大学《高等工程教育》，1993年第3期[12]刘元权，QT60型塔式起重机“爬行”的分析与对策，工程机械，1999（10）作者简介：姚平喜，男，1963年生。太原理工大学机械工程学院（太原市030024）在职博士，副教授。主要从事CAD/CAM集成，机电液一体化产品设计，面向产品全寿命周期设计等方面的研究。出版专著一部。发表论文20余篇。联系方式：电话[phone]E-mail:[e-mail]