液压平衡回路分析与应用
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精Hale Waihona Puke Baidu课件
3）液控单向平衡阀平衡回路
▪ 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。
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（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
6所示。
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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
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工作原理：
▪ 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。
▪ [12] ZHANG Zhiyun. Proficient MATLAB 5.3 [M]. Beijing: Bei hang University Press, 2000(in Chinese)
▪ [13] Deng Yi, Liu Shaojun, Liu Zhongwei, Zhou Yucai, Reliability analysis of 300MN hydraulic Die-forging press synchronism-balancing hydraulic system [J], Machinery Design
▪ [3] NCSL RIPS-4, “Deadweight Pressure Gauges,” July 1998. ▪ [4] Walter Markus, “A Constant Volume Valve,” The
Review of Scientific Instruments, 43, 1 (1972). ▪ [5] Paroscientific, Inc., “Operation manual for
参考文献
▪ [1] HE Cunxing, ZHANG Tiehua. Hydraulics &Pneumatics [M]. Wuhan: Hua Zhong University of Science and Technology Press, 1999(in
. Chinese)
▪ [2] V. E. Bean, “NIST Pressure Calibration Service,” NIST special Publication 250-39, NIST, 1994.
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▪ 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。
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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
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▪ 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 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。
4）单向节流阀平衡回路
图4 单向节流阀平衡回 路
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。
▪ [10] Tanaka. Digital control and application of hydraulic and pneumatic [M]. Chongqing: Chongqing University Press, 1992
▪ [11] LI Hansun. Basis of circuit analysis [M]. Beijing: Higher Education Press, 2000
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（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
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▪ 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。
▪ 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。
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▪ [8] PAN Xufeng. Modern automobile electric technology [M]. Beijing :Beijing Institute of Technology Press, 1998(in Chinese)
▪ [9] AO Gang. Study on digital control for shifting phases [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2004(in Chinese)
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6）其他平衡阀专用平衡回路
▪ 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，具有不同的阻尼结构。如图
intelligent instruments with dual RE-232 and RS-485 interfaces,” Document no. 8819-001, Rev. A, (2001). ▪ [6] B. N. Taylor and C. E. Kuyatt, “Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Resuits,” NET Technical Note 1297, 1994 Edition. ▪ [7] D. A. Olson and T. Kobata, “Automating the Calibration of Two Piston Gage Pressure Balances,” Proceedings of 2002 NCSL Intemational Workshop and Symposium, San Diego, CA, 2002
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5）内外控结合单向顺序阀平衡回路
▪ 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。
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（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
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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。
▪ 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。
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图5（a）中顺序阀阀芯受力平衡方程为：
P kA k P 2A kk(xx0)
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。
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（a）内控式顺序阀
（b）外控式顺序阀
图1.顺序阀平衡回路
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▪ 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 负载下行运动时，能建立稳定的背压，故工作平稳。
（1）
式中： P k 为液压缸进出油腔油压；
为顺序阀主阀阀芯控制活塞面积；
k P
2
为液压缸回油腔背压；
A
为 顺序阀主阀芯承压面积；
k
为弹簧刚度；
x x 0 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：
P kA 1WP 2A 2
（2）
式中： A 1 为液压缸无杆腔面积； A 2 为液压缸有杆腔有效面积；
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由式（1）、（2）得：
Pk
Ak Ak
P2
k(xx0) Ak
Pk
Ak Ak
P2
k(xx0) Ak
（3） （4）
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▪ 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。
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 2012.5.6
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1.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。
▪ 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。
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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。
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▪ 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。
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▪ 专用平衡阀通过在内外控顺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
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▪ 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。
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3）液控单向平衡阀平衡回路
▪ 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。
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（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
6所示。
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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
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工作原理：
▪ 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。
▪ [12] ZHANG Zhiyun. Proficient MATLAB 5.3 [M]. Beijing: Bei hang University Press, 2000(in Chinese)
▪ [13] Deng Yi, Liu Shaojun, Liu Zhongwei, Zhou Yucai, Reliability analysis of 300MN hydraulic Die-forging press synchronism-balancing hydraulic system [J], Machinery Design
▪ [3] NCSL RIPS-4, “Deadweight Pressure Gauges,” July 1998. ▪ [4] Walter Markus, “A Constant Volume Valve,” The
Review of Scientific Instruments, 43, 1 (1972). ▪ [5] Paroscientific, Inc., “Operation manual for
参考文献
▪ [1] HE Cunxing, ZHANG Tiehua. Hydraulics &Pneumatics [M]. Wuhan: Hua Zhong University of Science and Technology Press, 1999(in
. Chinese)
▪ [2] V. E. Bean, “NIST Pressure Calibration Service,” NIST special Publication 250-39, NIST, 1994.
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▪ 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。
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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
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▪ 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 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。
4）单向节流阀平衡回路
图4 单向节流阀平衡回 路
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。
▪ [10] Tanaka. Digital control and application of hydraulic and pneumatic [M]. Chongqing: Chongqing University Press, 1992
▪ [11] LI Hansun. Basis of circuit analysis [M]. Beijing: Higher Education Press, 2000
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（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
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▪ 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。
▪ 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。
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▪ [8] PAN Xufeng. Modern automobile electric technology [M]. Beijing :Beijing Institute of Technology Press, 1998(in Chinese)
▪ [9] AO Gang. Study on digital control for shifting phases [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2004(in Chinese)
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6）其他平衡阀专用平衡回路
▪ 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，具有不同的阻尼结构。如图
intelligent instruments with dual RE-232 and RS-485 interfaces,” Document no. 8819-001, Rev. A, (2001). ▪ [6] B. N. Taylor and C. E. Kuyatt, “Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Resuits,” NET Technical Note 1297, 1994 Edition. ▪ [7] D. A. Olson and T. Kobata, “Automating the Calibration of Two Piston Gage Pressure Balances,” Proceedings of 2002 NCSL Intemational Workshop and Symposium, San Diego, CA, 2002
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5）内外控结合单向顺序阀平衡回路
▪ 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。
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（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
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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。
▪ 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。
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图5（a）中顺序阀阀芯受力平衡方程为：
P kA k P 2A kk(xx0)
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。
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（a）内控式顺序阀
（b）外控式顺序阀
图1.顺序阀平衡回路
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▪ 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 负载下行运动时，能建立稳定的背压，故工作平稳。
（1）
式中： P k 为液压缸进出油腔油压；
为顺序阀主阀阀芯控制活塞面积；
k P
2
为液压缸回油腔背压；
A
为 顺序阀主阀芯承压面积；
k
为弹簧刚度；
x x 0 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：
P kA 1WP 2A 2
（2）
式中： A 1 为液压缸无杆腔面积； A 2 为液压缸有杆腔有效面积；
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由式（1）、（2）得：
Pk
Ak Ak
P2
k(xx0) Ak
Pk
Ak Ak
P2
k(xx0) Ak
（3） （4）
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▪ 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。
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 2012.5.6
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1.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。
▪ 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。
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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。
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▪ 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。
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▪ 专用平衡阀通过在内外控顺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
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▪ 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。
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