液压平衡回路辨析

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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： ［"］ 陈奎生 , 液压与气压传动 ［ -］ 武汉理工大学出版 , 武汉： 社， !%%" , ［!］ 许福玲， 陈尧明 , 液压与气压传动 ［ -］ 机械工业出 , 北京： 版社， "... , ［+］ 章 宏 甲， 黄谊, 液压传动 ［ -］ 机 械 工 业 出 版 社， , 北 京： "../ , ［0］ 官忠范 , 液压传动系统 ［-］ 机械工业出版社， , 北京： ".1. , ［2］ 雷天觉 , 液压工程手册 ［-］ 机械工业出版社， , 北京： "..% , ［/］ 郭政军， 罗公粮 , 平衡回路振动原因分析 ［ 3］ , 建设机械技 术与管理， （/） !%%! , ［4］ 易伟平 , 汽车起重机平衡回路分析 ［ 3］ , 专用汽车， "..1 （0） , ［1］ 丰收 , 混凝土泵车平衡回路的故障排除 ［ 3］ , 工程机械与 维修， （/） "..2 , ［.］ 贺劲 , 液压步履式 桩 架 起 架 机 构 平 衡 回 路 的 改 进 设 计 ［ 3］ （0） , 建设机械技术与管理， "..2 , ［"%］ 赵春红 , 起重机液压平衡回路的改进 ［ 3］ , 工程机械与维 修， （0） !%%% , ［""］ 姚丁曦， 周庆熊 《 教学中的思考与实践 , 液压传动系统》
［B］ 下降速度” 。这一结论中有两处错误， 错误之一是说
。其广泛应用于工程机械、 起重机械以及一些
［I H D?］
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具有垂直运动部件的场合
。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 ［DD］ 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。 " 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 D# 中调
姚平喜， 张晓俊
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（太原理工大学 机械工程学院， 山西 太原 ?@??AB）
摘
要： 该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
收稿日期： A??B8?E8AF 作者简介： 姚平喜 （DKI@—） ， 男， 山西蒲县人， 副教授， 在读 博士生， 主要从事液压技术、 机电一体化技术以及 4!L M 4!N 技术方面的科研及教学工作。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 参考文献： 按需要连接。步进器的接口分布如图 G# 所示。直接 使用步进器的机械手气动控制图如图 GJ 所示。 一个十级输出的步进器只能用于动作顺序数少于 或等于 D? 的多气缸顺序动作的控制， 若多气缸顺序动 作数多于D?， 则应该再串接一个步进器扩充接口， 例如 多气缸顺序动作数为 DI， 则使用两个步进器串接， 接 万方数据 线如图 I 所示。
［D H G］
文献标识码： （A??G） 2 文章编号： D???8BFGF ?D8??EB8?@ 整平衡阀 D 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 DJ 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
［D］ 左建民 O 液压与气压传动 ［ N］ 机械工业出版社， O 北京： DKKEO ［A］ 陆鑫盛， 周洪 O 气动自动化系统的优化设计 ［ N］ O 上海： 上海科技文献出版社， A???O ［@］ 吕淮熏， 黄胜铭 O 气液压学 ［ N］ 高立图书有限公 O 台湾： 司， DKKFO
!((* 年第 $ 期
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。 关键词： 平衡回路； 设计准则； 平衡阀； 顺序阀 中图分类号： C-D@E ! 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
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液压与气动
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液压平衡回路辨析
液压与气动
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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 $+ 和图 $% 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 $, 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 $% 中的顺序阀采用特殊结构设计的平衡阀， 由于其
表!
回路名称 负载 （#） 闭锁性能 图 "$ 图 "’ 图 ") 变化不大 不严格 主动 约为 % 产生的热量 ! ! "! & # " $! !
" ! " !
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。
［*］
对于平衡回路， 典型工况无外乎两种， 一种是 ’ 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 ’ 变化的情况， 诸如起重机吊重的升降 等。当 ’ 恒定时， 只要让 ! $ 维持恒定， 由公式 （ $） 可 只要 ! $ " ( 或 知， 就可维持 ! ! 恒定。在这种情况下， 趋近于 (， 就可以让 ! ! 很小， 从而达到节能或提高效 率的问题。这种情况下， 图 $+ 所示的平衡回路可以达 到更高的效率。而图 $% 和 $, 所示的平衡回路则由于 存在需要打开远控顺序阀或液控单向阀的控制压力， 且当 #$ - #! 较大时， 则所需的 ! ! 就 较 ! $ 必须存在， 大， 因此系统的效率就较低。另外， 在这种情况下， 由 于有： &! $ ( . # / 由式 （!） 有 &! " ! ! ! !
!
（0）
#! 所以有 &， #$ $ #$ & $ (. #/ #! !
。任何平衡回路工作过程中，
! （1） !! ! 系统提供的流量 &$ 恒定的情况下， 由式 （ 1） 可导出此 &$ $
!
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 ［$!万方数据 ］ 性较差 。
平衡回路设计与选用正确方法
能源消耗
使用条件
不严格
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! )" ( $# ( $ $
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严格
! " ""
! ! "! &
$ ! )" ( $# ( $
" ! ! "
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图#
新原理平衡阀
从表 " 可以看出， 图 ") 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 "’ 中的顺序阀采 用特殊设计的顺序阀， 也可以达到图 ") 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 ! "） ， 则系统正常工作需要消耗一定的能量 ， 系统会产生大量的热。如果要让 ! " 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 ! * 维持阀门的控制压力而让 ! " 取很 小的值， 甚或等于 %。这可以由另外的控制回路来实 现， 也可以采用如图 ! 所示的回路。通过增加一个单 向节流阀 （图 ! 中虚框中） 从而 ， 可以让 ! " 与 ! * 无关， 可以通过调节让 ! " 趋近于 %。
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 DJ 中的单向节流阀用于控制活塞的下
［DD］ 降速度 。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，
图! 平衡回路
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 为达到力平衡， 其背压为 题） 。如图 $ 所示， !! $ 其流量连续方程要求 &$ &! $ #$ #! （!） #$ " ! % #! #! $ （$）
无论采用自控式还是远控式平衡阀， 液压缸回油腔的 背压 !! 都是用以实现平衡所必须的条件， 应满足 !! " " #$ # !（式中， !$ 为上腔压力； !! 为下腔压力； " 为负 #! #! $ 。此外图 $% 中 载重量； #$ 为上腔面积； #! 为下腔面积） 没有单向节流阀系统就无法正常工作
时节流阀的开口面积 # /。 事实上， 由公式 （ $） 可知， 当 " 恒定时， ! ! 的大小 取决于 ! $ 的大小。只要维持 ! $ 在一个较小的值， 就
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章中给出。
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" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 可以维持 ! ! 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 " 所示。
［& ’ $(， $!］
。因为图
虽然远控平衡阀的开启压 $% 中如不串单向节流阀时， 力可以很小， 但由于液压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 $% 中必须有打开顺序阀的控制 压力 !（这里 ， 要维持一定的重量， 所需的背 ! ) " !$） ) 压 ! ! 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 $% 中的单向节流阀是用来建立背压而不是用来调速的。 " 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