汽车起重机平衡回路分析

汽车起重机平衡回路分析

一.前言

在液压系统工作时，如果液压缸或液压马达的负荷为垂直水平的载荷，并且运动方向和重力与作用力方向一致时，就要用平衡阀使回路上产生油流阻力，防止运动失去控制。平衡阀在液压起重机的起升、变幅和伸缩油路中应用较多。例如在起升油路中，重物下降时，如果在起升马达的回路上没有设平衡阀，则在重力作用下，液压马达会越转越快，甚至产生事故。平衡回路要求结构简单，闭锁性能好，工作可靠无冲击。

二.平衡回路作用

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。

1.举重上伸

在汽车起重机的伸缩、变幅、起伸3种机构中，平衡阀前端(油源方向)经高压软管与中心回转接头、操纵阀相连，后端经高压钢管与执行元件、液压缸或马达相连。当机构运动方向与负载重力作用方向相反时，即当外伸、起升、变幅缸上举时，平衡阀只起通路作用，同时，执行元件有杆腔液压油经另一条油路流回油箱;当平衡阀与手动换向阀之间的管路(多为高压软管)损坏漏油时，平衡阀能封闭无杆腔油液，使负载停留在空中原位置不动，避免造成坠落事故，可起到安全保护作用。

2.承载静止

当机构停止工作时，平衡阀内部油路被锁死封闭，其顺序阀也是完全关闭的，截止了执行元件的回油路，使机构和负载按需要停留在任意位置，称其为“位置锁定”。

3.负载下行

当机构运动方向与负载重力作用方向一致时，通过平衡阀的油量能够防止因负载和机构本身的重力作用而使机构产生加速运动，可起到控制负载下降速度的作用，故平衡阀又叫限速fa。限速的作用是，执行元件排出的液压油经平衡阀中的顺序阀节流口后返回油箱，产生的节流阻力等于负载和机构本身的重力再加上进油压力，因此机构不会产生加速运动。此时阀的节流限速作用类似于平衡配重，因此才叫平衡阀。在汽车起重机的整机检测中，将平衡阀的限速作用，称之为“回缩限速”。

三. 平衡回路的分析

内控式平衡阀串接在液压缸下行的回油路上,其调定压力略大于运动部件自重在液压缸下腔中形成的压力, 内控式平衡阀的调定应压力大于负载压力,当换向阀处中位时,自重在液压缸下腔形成的压力不足以使内控式平衡阀开启,防止了运动部件的自行下滑；当换向阀处左位时,活塞下行,顺序阀开启后在活塞下腔建立的背压平衡了自重,活塞以供给液压缸上腔的流量所提供的速度平稳下行,避免了超速。此种回路,活塞下行运动平稳;但顺序阀调定后,所建立的背于即为定值,若下行过程中超越负载是变化的,如图1a所示, 内控式平衡阀的调定

图1

压力须按最大超越负载力来调定，那么超越负载变小时，将产生过平衡而增加供油压力,造成不必要的能量的消耗，故此种平衡回路仅适用于超越负载不变的场合，或者负载变化小的场合，不太适用于变负载场合。图1b采用所示为采用外控式平衡阀的平衡回路，平衡阀的节流口随控制压力变化而变化，控制压力升高,，节流口变大，控制压力降低，节流口变小，控制压力消失，阀口单向关闭(相当于单向阀功能)。这种回路适用于所平衡的超越负载有变化的场合。如超越负载变大时，液压缸上腔的压力(即平衡阀的控制压力)则降低，平衡阀节流口自动变小,背压升高以平衡变大的超越负载；反之,超越负载变小,节流口自动变大,背压降低以适应变小的超越负载。当换向阀处中位时，控制压力消失，平衡阀关闭，活塞停止运动。

四.平衡回路振动分析与解决方法

4.1 振动的原因

图1b外控式平衡阀的平衡回路中，换向阀中位时，平衡阀关闭，负载在任意位置悬停，当换向阀切换至左位时,负载下行，从原理上分析是正确的,但是实际使用中，每当负载较大，下降过程中就会出现快降、停止交替的不连续跳跃、振动等非正常现象。这主要是由于液压缸承受较大的负值负载造成下降速度过快，油液一时来不及补充，液压缸无杆腔形成的空间必然在整个进油路及液压缸活塞上产生短时的负压效应,，导致外控式平衡阀的控制油路压力急降，因平衡阀关闭，液压缸急停，当液压缸无杆腔压力升高后，平衡阀又打开，负载再次快速下降，如此反复，导致系统振动。

4.2 解决平衡回路振动的方法

4.2.1 控制油压力波动引起振动

液控顺序阀是利用其控制油路压力来操纵阀的开启,若控制油压力发生波动,将会引起阀的频繁启闭,产生振动。因此，对于采用液控顺序阀的平衡回路,应在负载下行的回油路上串接一个单向节流阀,由于节流阀回油阻力的作用,液压缸进油腔的压力不至于迅速下降,液控顺序阀不会关闭。如图2

图2

4.2.2一种新的平衡阀平衡回路

如图3，这是一种为内、外同时控制平衡阀。该平衡回路负载上行时，液压油经单向阀直接进入液压缸的下腔，系统处于稳定工作状态，这里不作论述，下面仅对承载静止和负载下行过程加以分析针对平衡阀，在负载下行过程中，主阀芯受力平衡方程式为：

P2* Ar + Pk*Ａk = k(x1 + x2)

P2 —液压缸下腔油压

Ar—主阀芯阀口面积

Ａk —控制活塞的面积

Pk—控制压力

Ｋ—调压弹簧的弹簧刚度

x1—调压弹簧的预压缩量

x2 —平衡阀在某一稳定工况时开口量

图3

对于此类平衡阀应先进行调整其调压弹簧，设置开启压力，即打开主阀芯的压力Ｐs。在

Ｐk＝０的情况下，加大平衡阀的Ｐ2 压力，调整调压弹簧，使平衡阀的主阀芯常开启，此时Ｐs＝Ｐ2 为了防止无控制压力情况下，平衡阀能自锁，因此Ｐs 应大于系统工作压力。这种平衡回路不管是空载或是负载下行，油泵供给的压力都相对较小，即负载下行时能耗小，油路上也不会出现超压现象。而且这种平衡阀在控制油路上增加了可调阻尼和单向阀，在打开操纵执行元件时迅速打开主阀芯，在Ｐ1降低瞬时，由于有可调阻尼的作用，阀芯的开启是逐渐转换到负载相关的节流位置，使执行元件起动时的跳动及与之相关移动部件的振动，均在一开始就受到抑止或很快消除，从而使负载下行平稳。

五. 平衡回路常见的故障与修理

一是平衡阀中单向阀的密封锥面磨损，密封不严；二是平衡阀中控制油路有阻塞现象；三是平衡阀中控制油路完全堵塞。

1.单向阀密封不严的检查与修理

当伸缩机构起升一定负载或变幅机构呈一定的仰角停止不动时，如果平衡阀中单向阀密封不严，则伸缩机构会出现匀速的自由下降，这种情况若不严重时，出现在伸缩机构上还可以，但如果出现在变幅机构上则很危险，因为出现在伸缩机构上，伸缩臂回缩不影响起重机整机的稳定性，仅是负载有点下沉；但当其出现在变幅机构上时，变幅缸的回缩将导致整个臂架仰角变小，幅度增大，增加了整机的不稳定性，容易造成起重机的倾翻事故。此时，应对其进行解体、清洗和检测。若磨损比较轻微时，可用一软木塞轻轻打入单向阀芯，用以带动阀芯或阀体的锥形密封面压紧进行对研即可，若磨损比较严重时，则须用车制的专门研具对阀体上的锥形孔进行研磨。

2.平衡阀中控制油路有阻塞现象

此现象是在操纵变幅缸降低仰角或伸缩缸缩回时出现，操作者会对上述机构运动感到时断时续，而且这种运动没有规律，呈脉动状态。修复的方法是，对控制油路进行疏通、清洗，再重新安装。