平衡阀组在液压控制回路中
的运行及作用分析
Operation and Function Analysis of Balanced ValveGroup in Hydraulic Control Circuit
摘 要 ：在我国社会经济不断发展的过程中，其对于起重运输机械液压驱动的设计也具有进一步的提高，此设备不管是在伸缩或者起升的过程中都会出现超速下行的危险。为了使此问题得到有效的解决，就实现平衡回路的设计，其能够使在运行过程中的位置锁定。平衡阀组在液压控制回路具有重要的作用，那么本文就对液压控制回路中的平衡阀组作用及运行进行分析。
关键词 ：平衡阀组 液压控制回路 作用
平衡阀是工程机械中常用的阀门之一，对改善工程机械某些机构的使用性能起重要作用。例如，液压起重机的起升机构、变幅机构以及伸缩机构中，液压缸带负载下降时，若无平衡阀，机构会在负载的作用下超速下降。为了使液压执行元件动作平稳或者锁定该液压执行元件，就需在油路上设置平衡阀限制其运动速度。本文基于用于控制臂架伸缩或变幅的液压油缸的液压控制回路，分析平衡阀组的使用及作用。
1 平衡阀组介绍
本文所分析的平衡阀组能够有效减小外控端口压力波动对其平衡阀的阀口开度波动的影响，从而使液压执行元件平稳地运动，属于全新平衡阀组。其主要包括具有外控油路液控腔的平衡阀 4，该平衡阀组具有第一端口 4P、第二端口 4T 和外控端口 4K，第一端口4P 与平衡阀 4 中的单向阀 5 的正向端口连通，第二端口 4T 与平衡阀 4 中的单向阀 5 的反向端口连通，其中，平衡阀组还包括外控油路 10 和用于泄油的外控调节油路 13，外控油路 10 上设置有第一阻尼单元 9，且该外控油路 10 的两端连接在外控端口和外控油路 10
液控腔之间 ；外控调节油路上设置有第二阻尼单元 13，且该外控调节油路的一端连接于外控油路液控腔。图1 为平衡阀组结构，其中 4 为平衡阀；8 为顺序阀 ；10为外控油路 ；12 为外控调节油路 ；9 为第一阻尼单元 ；13 为第二阻尼单元 ；3 为单向阀 ；7 为内控油路 ；6 为液压执行元件液压缸；2 为第一工作油路 ；11 为第二工作油路 ；1 为换向阀 ；第一工作油口为 1A ；第二工作油口为 1B ；换向阀的进油口为 1P ；回油口为 1T；压缸的有杆腔为 6b ；第一端口 4P ；第二端口 4T；外控端口4K ；无杆腔为 6a。
另外，此平衡阀组还具有内控油路 7，其中平衡阀组中具备内控油路液控腔，利用第二端口 4T 和内控油路 7 液控腔进行连接。基于此，液压控制回路要求具备液压执行元件。该液压控制回路包括液压执行元件6 以及分别对应地连接于该液压执行元件的两个油口的
第一工作油路 2 和第二工作油路 11，该第一工作油路 2和第二工作油路 11 在换向阀 1 中连接，换向阀 1 连接于主进油油路 1P 和主回油油路 1T，以能够通过换向阀1 的控制而实现液压执行元件的伸缩控制或正反转控制，该液压控制回路还包括上述平衡阀组。其中，第一工作油路 2 和第二工作油路 11 包括第一段和第二段，第一段连接在换向阀 1 与平衡阀 4 的第一端口 4P 之间，第二段连接在第二端口 4T 与液压执行元件之间，外控端口 4K 连接于第二工作油路 11 上。在工作过程中，假如没有通电，那么整个阀组处于断电的情况中，表示阀组处于中间位置中，这个时候的进油路断开。对拧头油缸来说，下腔油封闭，在此情况中油压极为稳定。但是平衡阀的阻尼孔无法打开，所以拧头油缸静止。
新型平衡阀的主要性能特点为：在系统为负载下降的时候，先导控制回路提供低压力先导油。油液通过并联油路输入压力作用具有特殊结构新型平衡阀控制活塞，其中 PIL 口先导控制压力和阀芯开口大小具有密切的关系，以此对流量进行控制，还能够对活塞杆运行的速度进行控制。系统在负载下降或者保持状态的时候，新型平衡阀在执行元件管理出现故障的时候，能够及时锁紧油路。在负载较大或者出现振动导致回路压力不断升高的时候，能够将溢流阀打开，油液利用顺序阀到主阀芯先导口的主阀芯中作用，使主阀芯弹簧力得到克服，从而有效促进主阀芯朝着左运动，打开阀口就能够实现负载压力卸载，此不会威胁到升起载荷中工作人员的生命安全 。
2 平衡阀组在液压控制回路中的运行
2.1 平衡阀组在液压控制回路中的工作原理本文以上所分析的液压执行元件的液压控制回路中，主控阀 1 属于三位四通换向阀，此换向阀的工作油口利用工作油路和和液压缸的无杆腔、有杆腔相互连接。在换向阀处于左位时，进油口 1P 和第一工作油口1A 连通，回油口1T与第二工作油口1B 连通。这个时候，液压油利用第一工作油路 2 流到液压缸 6 无杆腔 6a 中，液压油流到平衡阀组 4 中，通过平衡阀组 4 单向阀 3 实现外控调节油路 12 中单向阀的设置，从而阻止液压油通过该外控调节油路 12 和外控油路 10 进入第二工作油路 11。
因而，液压缸 6 活塞正常伸出。在换向阀 1 处于中位时，换向阀 1 的第一工作油口 1A、第二工作油口1B 和回路相互连接，液压缸 6 活塞锁定或者悬浮。在换向阀 1 为右位的时候，换向阀 1 进油口 1P及第二工作油口 1B 相互连接，回油口 1T 和第一工作油口 1A 连接。液压油利用第二工作油路 11 流到液压缸 6 有杆腔6b 中，并且部分液压油利用外控油路 10 及外控调节油路 12 流到第一工作油路 2 中，而且外控油路液能够打开平衡阀。液压缸 6 无杆腔 6a 中的液压油利用第一工作油路 2 回油。因为外控油路 10 及调节油路 12 中具有阻尼单元 13 和 9 的设置，在外控端口油压出现波动时，外控油路 10 液控油油压波动小，避免液压缸 6 活塞在缩回的过程中抖动。
2.2 顺序阀的动静态分析
平衡阀 4 中具有重要元件顺序阀 8。在此，对顺序阀的动静态进行分析。对在阀门刚开始时候的进口压力为开启压力，如果忽略阀芯的重量及阀芯和阀体摩擦力，那么 PoA=k（x0 x），也就是 Po=k（x0 S）/ A 。其中 A 指的是滑阀端面的面积，d 指的是滑阀的直径，k 指的是弹簧的刚度，S 指的是滑阀和阀体的封油长度。因为开启滑阀之后通过阀口液流稳态液动力影响，顺序阀进口压力不断提高，直到全部在阀芯中作用的力相互平衡。如果将阀芯自重及阀芯摩擦力忽略，顺序阀静态特点能够通过以下公式进行表示 ：P1A=k（x0 S x） 2CdπdxP1cosα其中 x 指的是阀口的开度，Cd 指的是阀口的流量系数，α 指的是滑阀阀口的射流角。
如果 P=P1 － P0 为调压偏差，那么调压偏差越小，压力阀的性能就会越好。通过物理特性方面分析，因为具有流量流过阀口，调压弹簧因为阀芯位移压缩提高了附加弹簧力，并且阀口液流对于阀芯具有稳态液动力。其中增加的弹簧力及也动力大小在流量增加的过程中增加，方向和弹簧与压缩力的方向不同，所以提高阀控制压力，从而就会出现调压偏差。为了使调压偏差得到缩小，在设计的过程中要降低流量下阀开口长度 。图 2（a）为顺序阀的结构，图 2（b）（c）为顺序阀部分结构扩展图，其中（b）中 P1 为顺序阀开启压力，L 指的是阀芯，k 为弹簧刚度。
2.3 平衡阀的静态特点
对平衡阀静态特点进行研究，就是对平衡阀系统基于稳态时候的平衡阀输出、输入的关系进行研究，也就是负载流量、负载压力及控制压力的关系。因为此三者具有确定函数关系，能够利用平衡阀阀芯力平衡方程及流量连续性方程寻找其关系 [8]。图 3 为平衡阀结构。
在某个负载作用中，并且平衡阀阀口开度一定的时候，阀芯处于先导控制力、弹簧压缩力液动力及摩擦力相互作用的时候平衡，那么主阀芯力的平衡方程表示为 ：（Pk－Po）A=K（XO Xc X） Fy－Fz Ff其中 Fy 指的是稳态液动力，Cd 指的是平衡阀的流量系数，Cv 指的是平衡阀的流速系数。通过方程表示，在弹簧与压缩量一定的时候，相应不同流量具有一族曲线，并且还具有两簇曲线，分别为 ：QL=常数 （Pk－PL）曲线；PL=常数 （Pk－QL）曲线；Pk=常数 （QL－PL）曲线。这三条曲线通过不同方面对平衡阀静态特性进行了描述，在 QL= 常数为常数的时候，Pk 和 PL 为平衡阀静态特性的函数关系，（Pk － QL）曲线指的是平衡阀静态特性曲线。以此表示负载不发生变化，在不同阀芯开口量的时候，相应平衡阀不同控制压力，得到图 4 ：
其中 a、b、c、d 分别表示液压平衡阀四个典型工作情况为低速、重载；高速、重载；高速、轻载；低速、轻载。相应通过 a、b、c、d 四个点围成的面积能够充分展现出平衡阀工作范围，图形的面积越大，那么工作范围就会越宽。平衡阀面积增益和负载压力具有反比的关系，在负载压力不断降低的过程中，面积梯度也在不断的增加。以此得到理想化静态特性曲线，从而推测出在平衡阀开口变化过程中，阀门面积增益并不是固定值，所以得到平衡阀工作依据 ：平衡阀面积增益要和流量相互联系，在大流量快速通过的时候增加面积增益，在小流量的时候减少面积增益，在锥形阀口的时候对阀口锥角改变，阀面积增益也会变化。
平衡阀组在液压控制回路工作过程中的稳定性和自身条件具有密切的关系，在系统抖动的时候，简单外界干扰能够对系统稳定性进行改变，那么寻找对平衡阀系统稳定性造成影响的因素尤为重要。比如液压系统，其就相当于平衡阀闭环条件，因为实际平衡阀系统较为复杂，影响因素也比较多变并且复杂，所以就要针对部分条件实现简化。其一，将液压系统泄露损失忽略 ；其二，将液压系统压力损失忽略 ；其三，回路中油缸负载通过重物代替 ；使液压源作为恒流源 。
2.4 液压回路平衡阀的故障及措施
（1）在下降的时候爬行运行。在系统阳极或者拧头油油缸工作的时候出现缓慢爬行运动，那么就会具有噪音，以此表示出行故障。要使用针对性的措施处理。因为油缸下降的时候为负载，平衡阀压力较小，在此过程中平衡阀控制口和油缸上腔的位置失压，油压背压比较小，油缸爬行。对于此情况，要对大平衡阀背压进行及时调整，对其下降的稳定性进行观察，如果没有震动和噪音就行。
（2）活塞回弹。在油缸实现下降的过程中动作已经停止，但是还是具有冲击声，并且油缸活塞出现回弹。对其原因进行分析，油缸在下降的过程中为负载，操作人员假如使平衡阀备压力过大的调整，就会缩短关闭时间。对于此情况，将故障排除的时候首先要调节背压，之后拧紧平衡阀调节螺钉，以此使关闭时间得到延长，从而使此问题得到解决。另外，还要全面检查油缸缸体，检查是否出现拉伤，假如具备拉伤的情况就要及时的更换油缸。
3 结束语
平衡阀为液压平衡回路中的主要控制元件，在液压传动技术使用越来越广泛的过程中，如何使系统工作稳定性得到保证，属于平衡阀及平衡回路中需要解决的问题。其被广泛应用到起重运输机械、工程机械中，只要目的就是为了避免承载下降的过程中出现压力
冲击、超速、振动等问题。在塔吊设备上升或者下降的工程中，如果负载作用及运动的方向相同在回油路色织平衡阀，实现平衡复杂，对执行元件平稳运行进行保证，以此使液压系统稳定性得到提高。所以，平衡阀性能和液压系统整体工作安全性、可靠性及稳定性具有一定的影响。
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来源文库：2019.05 建设机械技术与管理 中联重科股份有限公司 邹发良/ZOU Faliang
