液压平衡回路分析与应用(教学材料)

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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。
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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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▪ 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：
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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。
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。
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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
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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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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
Pk Ak P2 Ak k ( x x0 )
（1）
式中： Pk 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 P2 为液压缸回油腔背压； Ak为 顺序阀主阀芯承压面积；
为弹簧刚度；
x x0 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：
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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。
▪ 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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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。
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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。