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液压平衡回路的发展与应用
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2016-03-30

液压平衡回路可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振动。随着液压平衡技术的不断发展,它已从最初的简单顺序阀平衡回路,发展到今天的专用平衡阀平衡回路,相关元件及回路的性能都在不断提高。

在平衡回路中,液压缸有举重上升、承载静止和负载下行 3 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[1],以保证活塞能被锁定在任意位置。因此,在实际应用中,液压平衡回路一般与背压或锁紧回路紧密相联,组成平衡、背压和锁紧回路。

1传统顺序阀平衡回路

早期液压平衡锁紧回路,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。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。但当顺序阀调定后,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。另外,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。因此,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,仅能用于工作负载固定且功率较小的场合。

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,外控顺序阀被液压缸进油路上的控制压力油打开,液压动部件因自重而加速下降,势能得以利用,系统效率较高。但这种回路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,进油路压力消失,外控顺序阀因控制油失压而关闭,关闭后控制油路又会重新建立起压力,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,运动不平稳,产生较大的冲击振动和噪声。

2液压平衡回路的改进

为提高平衡回路的运动平稳性及锁紧性能,对液压平衡回路进行改进。

2.1外控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,使液压缸回油腔中保持合适的背压。因此,在某种程度上,顺序阀的功能和平衡阀的要求是相悖的。在实践中,人们从 2 方面入手来提高外控式顺序阀平衡回路的性能,如图 2 所示。图 2(a) 是通过改善控制压力的施加方式来提高外控顺序阀的性能。在顺序阀的控制油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再施加到顺序阀上,使阀缓开缓关,减小由于控制压力施加过快、过大或波动而引起的液压缸“爬行”形象,提高回路稳定性。图 2(b) 是通过改善油缸背压,使其适应负载变化来提高回路性能。在液压缸下行回油路上加装单向节流阀,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 2 种外控顺序阀平衡回路都具有平衡动态负载功能,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”及“爬行”现象,平稳性不及顺序平衡回路。

现代专业平衡阀出现以前,在工程机械领域,为克服滑阀结构外控顺序阀因泄漏导致静止支承时间不长的问题,采用专门设计的锥阀结构的限速锁替换图2(b) 中的外控顺序阀,来平衡起重机等负载变化较大的工程机械[2],是比较经济实用的平衡回路。

2.2液控单向阀平衡回路

液控单向阀平衡回路主要用以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锁紧性能,如图 3、4 所示。换向阀中位液压缸停止运动时,依靠液控单向阀的反向密封性,将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。图 4 中单向节流阀与图 2(b) 中的单向节流阀的作用相同,起控制活塞下行速度,防止液压缸下行时产生冲击和振动。图 3、4 中液控单向阀均为内泄式,若液控单向阀为外泄式,单向节流阀或单向顺序阀也可装在液控单向阀和油箱之间。

2.3单向节流阀平衡回路

由单向节流阀和 M 机能换向阀组成的平衡回路,如图 5 所示。由单向节流阀调速,中位承载静止时由换向阀锁紧。如用单向调速阀代替单向节流阀,速度稳定性明显提高[3],该平衡回路结构简单,常用于对速度稳定性要求不高、功率不大或功率虽较大但工作不频繁的定量泵油路中。

2.4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。根据回油腔背压在顺序阀主阀芯上作用方向的不同,可分为 2 种控制方式,如图 6 所示。

在图 6(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 6(b) 中,回油腔背压和液压缸进油路压力迭加后与顺序阀调压弹簧力相平衡。因此,在图 6(a) 中,由于下行时背压作用方向与弹簧力作用方向相同,所以弹簧刚度可以低一些,这样调压比较轻便。这 2 种平衡回路,兼具内控式顺序阀平衡回路和外控式顺序阀平衡回路的优点。图 6(a)的顺序阀阀芯受力平衡方程为

PkAk= P2Ak′+ k (x + x0)。 (1)

式中:Pk为液压缸进油腔油压;Ak顺序阀主阀芯控制活塞面积Ak′为顺序阀主阀芯承压面积;P2为液压缸回油腔背压;k 为调压弹簧的刚度;x0为调压弹簧的预压缩量;x 为调压弹簧在某一稳定工况下的开口量。

液压缸活塞受力平衡方程为

PkA1+ W = P2A2。 (2)

式中:A1为液压缸无杆腔面积;A2为液压缸有杆腔有效面积。

由式 (1)、(2) 得

设平衡阀设定压力为 35 MPa,高压系统额定工作压力为 25 MPa,则平衡阀调压弹簧设定压力为 10MPa,即

2

相应的回油腔背压分别为 32.4 MPa 和 2.1 MPa。

在图 6(b) 中,设有关结构参数相同,平衡阀设定压力仍为 35 MPa,额定工作压力仍为 25 MPa,则在额定负载下外控油路控制压力

在负载为 0 时,油路控制压力

相应的回油腔背压分别为 26.5 MPa 和 5.2 MPa。

由此可见,对于高压系统,由于引入了 2 种控制压力,平衡回路不论是空载或是额定负载下行,外控制油路上仅需较小的压力就可以把平衡阀打开,油泵供油压力相对较小,因此,负载下行时功率损失也较小。与外控式顺序阀平衡回路相比,由于顺序阀调压弹簧的调定压力已经设定,由式 (3) 可知,当顺序阀打开后,负载一定时,顺序阀的 2 种控制油的压力也就确定,即回路自动建立稳定的背压,且背压始终存在,因此工作比较平稳。

回路中设置单向节流阀仍旧是用于限速,防止平衡阀时开时闭产生“点头”、“爬行”及振动。

3专用平衡阀平衡回路

在实际应用中,上述各种平衡回路仍然或多或少地存在“点头”现象,性能还是不够理想。随着工程机械尤其是起重机、汽车及挖掘机吊等对液压技术要求的不断提高,极大地推动了液压技术的发展。为使液压缸动作平稳,已经出现了各种适用于不同工况(如双向交替超越负载、单向超越负载或液压缸倾斜振动较小、倾斜振动较大等) 的专用平衡阀,平衡回路的性能也在不断提高。这些不同负载工况下的专用平衡阀,在原来内外控顺序阀的基础上,一般又引入其他控制油源,且具有不同的阻尼结构。

图 7 是一种具有特殊阻尼结构的平衡阀,用于具有明显低频振动超越负载的场合,可用来克服单向超越负载,也可用于克服双向超越负载。在图 7 实线位置,从作油口 B 引入的控制油,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,顺序阀逐渐转换到与负载相适应的节流位置,实现平稳开启。

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,使阀芯的动作得到缓冲,液压缸和负载下降动作平稳。当超越负载反向时 (图 7 虚线位置),由单向顺序阀及其控制油路发挥相同作用。由此可见,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调节作用,从而对阀芯的动作形成了缓冲,防止了因顺序阀阀芯启闭产生的冲击和振动。该设计既确保了回路的快速反应,又对回路冲击有缓冲和稳定作用。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应优先选用。另外这种专用平衡阀一般与负载敏感比例多路阀配合应用,以提高其平衡控制性能。

4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不同。因此应根据实际情况,选用与之相适应的平衡回路,以满足实际工程技术的要求。

摘自:中国计量测控网


【关键词】液压平衡回路,奥科官网,北京世纪奥科 

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