液壓平衡回路分析與應(yīng)用

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1、液 壓 平 衡 回 路 分 析 與 應(yīng) 用報(bào) 告 者 ： 徐 懷 剛 所 學(xué) 專(zhuān) 業(yè) ： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 及 理 論2012.5.6 1.平 衡 回 路 概 述 在 工 程 機(jī) 械 、 起 重 機(jī) 械 中 ， 為 了 防 止 立 式 液 壓缸 及 工 作 部 件 因 自 身 重 力 或 內(nèi) 部 泄 漏 而 自 行 下 滑 ,在 活 塞 下 行 的 回 油 路 上 設(shè) 置 產(chǎn) 生 一 定 背 壓 的 液 壓元 件 ,阻 止 活 塞 下 落 ,這 種 回 路 一 般 被 稱(chēng) 為 平 衡 回路 。 平 衡 回 路 一 般 用 于 平 衡 與 液 壓 力 作 用 方 向 相 同的 重 力 負(fù) 載 。

2、當(dāng) 負(fù) 載 下 降 時(shí) ， 在 液 壓 缸 回 油 腔 中產(chǎn) 生 平 衡 活 塞 及 運(yùn) 動(dòng) 部 件 自 重 的 背 壓 ， 防 止 活 塞或 運(yùn) 動(dòng) 部 件 因 自 重 超 過(guò) 油 泵 供 油 量 所 能 提 供 的 運(yùn)動(dòng) 速 度 而 出 現(xiàn) 失 速 現(xiàn) 象 ， 對(duì) 液 壓 系 統(tǒng) 造 成 較 大 的沖 擊 和 震 動(dòng) 。 在 液 壓 平 衡 回 路 中 ， 液 壓 缸 存 在 舉 重 上 升 、 承載 靜 止 和 負(fù) 載 下 行 三 種 基 本 狀 態(tài) 。 平 衡 回 路 只 在承 載 靜 止 和 負(fù) 載 下 行 階 段 起 作 用 ， 且 應(yīng) 能 滿(mǎn) 足 靜止 時(shí) 活 塞 能 被 鎖 緊

3、 ， 下 行 時(shí) 速 度 可 控 ， 以 保 證 活塞 能 被 鎖 定 在 任 意 位 置 。 2.液 壓 平 衡 回 路 的 分 類(lèi) 1） 傳 統(tǒng) 順 序 閥 平 衡 回 路 早 起 液 壓 平 衡 鎖 緊 回 路 ， 主 要 由 順 序 閥 與 換 向 閥組 成 ， 如 圖 1 所 示 。 圖 1(a) 為 內(nèi) 控 式 單 向 順 序 閥平 衡 回 路 ， 圖 1(b) 是 錐 閥 結(jié) 構(gòu) 的 外 控 式 單 向 順 序閥 平 衡 回 路 。 （ a） 內(nèi) 控 式 順 序 閥 （ b） 外 控 式 順 序 閥圖 1.順 序 閥 平 衡 回 路 工 作 特 點(diǎn) ： 在 圖 1(a) 中 ，

4、適 當(dāng) 調(diào) 節(jié) 順 序 閥 的 開(kāi) 啟 壓 力 ，使 其 稍 大 于 液 壓 缸 活 塞 及 其 工 作 部 件 自 重 在 液 壓 缸 下 腔所 產(chǎn) 生 的 壓 力 。 當(dāng) 液 壓 缸 下 行 有 超 越 負(fù) 載 發(fā) 生 時(shí) ， 由 于順 序 閥 的 作 用 在 液 壓 缸 回 油 腔 產(chǎn) 生 一 定 的 背 壓 ， 防 止 了活 塞 及 其 工 作 部 件 超 速 下 降 。 這 種 液 壓 平 衡 回 路 在 負(fù) 載下 行 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 能 建 立 穩(wěn) 定 的 背 壓 ， 故 工 作 平 穩(wěn) 。 缺 點(diǎn) ： 當(dāng) 順 序 閥 調(diào) 定 后 ， 若 工 作 負(fù) 載 減 小 ， 則 需 要 增

5、加 泵 的 輸 出 功 率 ， 系 統(tǒng) 的 功 率 損 失 將 增 大 ， 且 負(fù) 載 越 小 ，效 率 越 低 ， 導(dǎo) 致 系 統(tǒng) 發(fā) 熱 越 快 ， 油 液 溫 度 升 高 ； 而 且 滑閥 結(jié) 構(gòu) 的 順 序 閥 和 換 向 閥 存 在 泄 漏 ， 在 承 載 靜 止 階 段 ，活 塞 不 能 長(zhǎng) 時(shí) 間 停 留 在 任 意 位 置 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 ： 該 回 路 不 適 用 于 工 作 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 能 量 消 耗 大 的設(shè) 備 ， 如 工 程 機(jī) 械 ， 僅 用 于 工 作 負(fù) 載 固 定 且 功 率 較 小 的場(chǎng) 合 。 工 作 特 點(diǎn) ： 在 圖 1（ b） 中 ， 液 控 順

6、 序 閥 的 啟 閉 取 決 于控 制 油 口 ， 即 液 壓 缸 無(wú) 桿 腔 油 壓 的 高 低 。 在 活 塞 下 行時(shí) ， 外 空 順 序 閥 被 液 壓 缸 進(jìn) 油 路 上 的 控 制 壓 力 油 打 開(kāi) ，液 壓 缸 回 油 腔 背 壓 迅 速 下 降 ， 回 油 阻 力 減 小 ， 甚 至 消失 。 運(yùn) 動(dòng) 部 件 因 自 重 二 加 速 下 降 ， 勢(shì) 能 得 以 利 用 ， 系統(tǒng) 效 率 較 高 。 缺 點(diǎn) ： 當(dāng) 運(yùn) 動(dòng) 部 件 因 自 重 而 超 速 下 降 時(shí) ， 會(huì) 造 成 液 壓缸 上 腔 供 油 不 足 ， 進(jìn) 路 壓 力 消 失 ， 外 控 順 序 閥 因 控 制

7、油 失 壓 二 而 關(guān) 閉 ， 關(guān) 閉 后 控 制 油 路 又 會(huì) 重 新 建 立 壓 力 ，閥 再 次 打 開(kāi) 、 關(guān) 閉 。 由 于 外 控 順 序 閥 時(shí) 開(kāi) 時(shí) 閉 ， 出 現(xiàn)嚴(yán) 重 的 點(diǎn) 頭 或 爬 行 現(xiàn) 象 ， 運(yùn) 動(dòng) 不 穩(wěn) 定 ， 產(chǎn) 生 較 大 的 沖擊 振 動(dòng) 和 噪 聲 。 2） .順 序 閥 平 衡 回 路 的 改 進(jìn) 順 序 閥 的 基 本 功 能 是 達(dá) 到 其 調(diào) 定 壓 力 時(shí) ， 閥 口 就 打 開(kāi) ， 且閥 口 損 失 要 盡 量 小 。 而 平 衡 閥 則 在 超 載 發(fā) 生 時(shí) ， 使 液 壓 缸回 油 腔 保 持 合 適 的 背 壓 。 實(shí) 踐 中

8、 通 過(guò) 改 善 控 制 壓 力 的 施 加方 式 來(lái) 提 高 外 控 順 序 閥 的 性 能 。 在 順 序 閥 的 控 制 回 路 上 增 加 可 調(diào) 節(jié) 流 閥 ， 并 將 節(jié) 流 閥 調(diào) 到合 適 開(kāi) 度 ， 使 控 制 壓 力 油 經(jīng) 足 夠 節(jié) 流 后 在 施 加 到 順 序 閥 上 ，使 閥 緩 開(kāi) 緩 閉 ， 減 少 由 于 控 制 壓 力 施 加 過(guò) 快 、 過(guò) 大 或 波 動(dòng)引 起 的 液 壓 缸 爬 行 現(xiàn) 象 ， 提 高 回 路 穩(wěn) 定 性 。 （ a） 下 行 回 路加 設(shè) 單 向 節(jié) 流 閥 （ b） 外 控 回 路加 設(shè) 單 向 節(jié) 流 閥圖 2 外 控 順 序

9、閥 改 裝 平 衡 回 路 如 圖 2所 示 在 油 缸 下 部 加 裝 單 向 節(jié) 流 閥 ， 適 當(dāng) 調(diào) 節(jié) 其開(kāi) 度 ， 增 加 回 路 阻 尼 ， 提 高 液 壓 缸 下 行 背 壓 ， 使 負(fù)載 下 行 速 度 穩(wěn) 定 。 這 兩 種 外 控 順 序 閥 平 衡 回 路 都 具 有 平 衡 動(dòng) 態(tài) 負(fù) 載 的功 能 ， 若 液 壓 缸 活 塞 因 負(fù) 載 增 加 而 加 速 下 降 ， 活 塞上 腔 因 供 油 不 足 而 壓 力 下 降 ， 順 序 閥 的 控 制 壓 力 就下 降 ， 順 序 閥 閥 口 關(guān) 小 ， 活 塞 速 度 下 降 ， 背 壓 相 應(yīng)上 升 ， 平 衡 重

10、 力 和 負(fù) 載 的 作 用 增 強(qiáng) 。 但 液 壓 缸 下 行時(shí) 仍 會(huì) 出 現(xiàn) 速 度 忽 快 忽 慢 的 “ 點(diǎn) 頭 ” “ 爬 行 ” 現(xiàn) 象 ，平 穩(wěn) 性 不 及 順 序 平 衡 回 路 。 為 克 服 滑 閥 結(jié) 構(gòu) 外 控 順 序 閥 因 泄 露 導(dǎo) 致 靜 止支 撐 時(shí) 間 不 長(zhǎng) 的 問(wèn) 題 ， 采 用 錐 閥 結(jié) 構(gòu) 的 限 速鎖 替 代 外 控 順 序 閥 ， 來(lái) 平 衡 起 重 機(jī) 等 負(fù) 載 變化 較 大 的 工 程 機(jī) 械 。3） 液 控 單 向 平 衡 閥 平 衡 回 路 （ a） 液 控 單 向 閥 與 單 向 順 序閥 平 衡 回 路 （ b） 液 控 單 向

11、 閥 與 單 向 節(jié) 流閥 平 衡 回 路圖 3 液 控 單 向 閥 與 單 向 節(jié) 流 閥 平 衡 回 路 液 控 單 向 閥 平 衡 回 路 主 要 用 于 改 善 順 序 閥 和 單 向節(jié) 流 閥 的 泄 漏 問(wèn) 題 ， 提 高 平 衡 回 路 在 靜 止 承 載 階段 的 長(zhǎng) 時(shí) 間 的 鎖 緊 性 能 。 如 圖 3（ a） 、 （ b） 所示 ， 換 向 閥 中 位 液 壓 缸 在 其 行 程 的 任 意 位 置 上 鎖緊 ， 防 止 液 壓 缸 及 負(fù) 載 因 閥 泄 漏 自 行 下 滑 。 單 向 節(jié) 流 閥 其 控 制 活 塞 下 行 速 度 ， 防 止 液 壓 缸 下行 時(shí)

12、 產(chǎn) 生 沖 擊 和 振 動(dòng) 。 由 單 向 節(jié) 流 閥 和 M中 位 機(jī) 能 換向 閥 組 成 的 平 衡 回 路 ， 如 圖 4所示 。 由 單 向 節(jié) 流 閥 調(diào) 速 ， 中 位承 載 靜 止 時(shí) 由 換 向 閥 鎖 緊 。 如用 單 向 調(diào) 速 閥 替 代 單 向 節(jié) 流 閥 ，速 度 穩(wěn) 定 性 明 顯 提 高 ， 改 平 衡回 路 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 常 用 于 對(duì) 速 度穩(wěn) 定 性 要 求 不 高 、 功 能 不 大 或功 率 較 大 但 工 作 不 頻 繁 的 定 量泵 油 路 中 。4） 單 向 節(jié) 流 閥 平 衡 回 路圖 4 單 向 節(jié) 流 閥 平 衡 回 路 內(nèi) 外 控

13、 相 結(jié) 合 的 單 向 順 序 閥 平 衡 回 路 ， 將 液 壓 缸進(jìn) 出 油 路 壓 力 和 回 油 腔 背 壓 同 時(shí) 作 為 順 序 閥 的 控制 壓 力 。 根 據(jù) 回 油 箱 背 壓 在 順 序 閥 主 閥 芯 上 作 用方 向 的 不 同 ， 可 分 為 兩 種 控 制 方 式 ， 如 圖 5所 示 。5） 內(nèi) 外 控 結(jié) 合 單 向 順 序 閥 平 衡 回 路 （ a） 平 衡 回 路 1 （ b） 平 衡 回 路 2圖 5 內(nèi) 外 空 結(jié) 合 的 順 序 閥 平 衡 回 路 在 圖 5(a)中 ， 回 油 腔 背 壓 和 調(diào) 壓 彈 簧 力 迭 加 后 與液 壓 缸 進(jìn) 油

14、 路 壓 力 相 平 衡 ， 在 圖 5(b)中 ， 由 于 下行 時(shí) 背 壓 作 用 方 向 與 彈 簧 力 作 用 方 向 相 同 ， 所 以彈 簧 剛 度 設(shè) 置 低 一 些 ， 這 種 調(diào) 壓 比 較 方 便 。 該 兩 種 平 衡 回 路 ， 兼 具 內(nèi) 外 控 式 順 序 閥 平 衡 回 路優(yōu) 點(diǎn) 。 2 0( )k k kP A P A k x x 2A2 P圖 5（ a） 中 順 序 閥 閥 芯 受 力 平 衡 方 程 為 ： （ 1）式 中 ： 為 順 序 閥 主 閥 閥 芯 控 制 活 塞 面 積 ；為 液 壓 缸 進(jìn) 出 油 腔 油 壓 ；kAkP kx0 x 為 液 壓

15、 缸 回 油 腔 背 壓 ； 為 順 序 閥 主 閥 芯 承 壓 面 積 ； 為 彈 簧 剛 度 ；為 調(diào) 壓 彈 簧 的 預(yù) 壓 縮 量 ； 為 調(diào) 壓 彈 簧 在 某 一 穩(wěn) 定 工 況 下 的 開(kāi) 口 量 。液 壓 缸 受 力 平 衡 方 程 為 ：1 2 2kP A W P A （ 2）式 中 ： 為 液 壓 缸 進(jìn) 出 油 腔 油 壓 ；式 中 ： 為 順 序 閥 主 閥 閥 芯 控 制 活 塞 面 積 ；為 液 壓 缸 進(jìn) 出 油 腔 油 壓 ；式 中 ： 為 液 壓 缸 有 桿 腔 有 效 面 積 ；為 液 壓 缸 無(wú) 桿 腔 面 積 ；式 中 ： 1A 由 式 （ 1） 、 （

16、 2） 得 ： 02 ( )kk k kA k x xP PA A 0 2 ( )kk k kA k x xP PA A （ 3）（ 4） 對(duì) 于 高 壓 系 統(tǒng) 由 于 引 入 兩 種 控 制 壓 力 ， 平 衡 回 路無(wú) 論 空 載 或 是 額 定 負(fù) 載 下 行 ， 外 控 油 路 上 僅 需 較小 的 壓 力 就 可 以 打 開(kāi) 平 衡 閥 ， 油 泵 供 油 壓 力 相 對(duì)較 小 ， 負(fù) 載 下 行 功 率 損 失 較 小 。 較 先 前 的 順 序 閥 平 衡 回 路 相 比 較 ， 順 序 閥 的 控 制油 壓 能 隨 著 負(fù) 載 的 變 化 而 不 斷 變 化 ， 即 回 路

17、自 動(dòng)建 立 穩(wěn) 定 的 背 壓 ， 且 被 壓 始 終 存 在 ， 工 作 比 較 平穩(wěn) 。 隨 著 工 程 機(jī) 械 對(duì) 液 壓 技 術(shù) 要 求 的 不 斷 發(fā) 展 ， 為 使液 壓 缸 動(dòng) 作 平 穩(wěn) ， 已 經(jīng) 出 現(xiàn) 各 種 適 應(yīng) 于 不 同 工 況 ，例 如 ： 雙 向 交 替 超 越 負(fù) 載 、 單 向 超 越 負(fù) 載 或 液 壓缸 傾 斜 震 動(dòng) 較 小 、 傾 斜 振 動(dòng) 較 大 等 專(zhuān) 用 平 衡 閥 ，平 衡 回 路 性 能 不 斷 提 高 。 這 些 平 衡 閥 在 原 來(lái) 內(nèi) 外 控 順 序 閥 的 基 礎(chǔ) 上 ， 一 般引 入 其 他 控 制 油 源 ， 具 有 不

18、 同 的 阻 尼 結(jié) 構(gòu) 。 如 圖6所 示 。6） 其 他 平 衡 閥 專(zhuān) 用 平 衡 回 路 1、 順 序 閥 2、 單 向 順 序 閥 3、 節(jié) 流 閥 4、 單 向 閥圖 6 內(nèi) 外 控 結(jié) 合 單 向 順 序 閥 平 衡 回 路 在 實(shí) 線(xiàn) 位 置 時(shí) ， 從 工 作 油 口 B引 入 控 制 油 ， 經(jīng) 節(jié)流 閥 6、 單 向 閥 10快 速 進(jìn) 入 順 序 閥 3的 控 制 腔 ， 打開(kāi) P2到 A的 閥 口 ； 在 順 序 閥 打 開(kāi) 、 控 制 壓 力 P1降低 的 同 時(shí) ， 經(jīng) 過(guò) 可 調(diào) 節(jié) 流 閥 5的 控 制 油 繼 續(xù) 進(jìn) 入 到順 序 閥 3的 控 制 腔 ，

19、順 序 閥 逐 漸 轉(zhuǎn) 化 到 與 負(fù) 載 相 適應(yīng) 的 節(jié) 流 位 置 ， 實(shí) 現(xiàn) 平 穩(wěn) 開(kāi) 啟 。 當(dāng) 順 序 閥 閥 芯 在 干 擾 作 用 下 往 回 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 受 到 節(jié)流 閥 的 阻 尼 作 用 ， 使 閥 芯 動(dòng) 作 得 到 緩 沖 ， 液 壓 缸和 負(fù) 載 下 降 動(dòng) 作 平 穩(wěn) 。 當(dāng) 超 越 負(fù) 載 反 向 時(shí) （ 圖 中虛 線(xiàn) 位 置 ） ， 由 單 向 順 序 閥 及 其 控 制 油 路 發(fā) 揮 相同 作 用 。工 作 原 理 ： 專(zhuān) 用 平 衡 閥 通 過(guò) 在 內(nèi) 外 控 順 序 閥 控 制 油 路 上 設(shè) 置多 個(gè) 節(jié) 流 口 和 方 向 控 制 回 路 ，

20、 使 順 序 閥 閥 芯 的 動(dòng)作 過(guò) 程 受 到 多 種 節(jié) 流 阻 尼 器 調(diào) 節(jié) 作 用 ， 對(duì) 閥 芯 產(chǎn)生 緩 沖 作 用 防 止 因 順 序 閥 閥 芯 啟 閉 產(chǎn) 生 的 沖 擊 和振 動(dòng) 。 該 回 路 確 保 了 回 路 的 快 速 反 應(yīng) ， 又 對(duì) 回 路沖 擊 有 著 緩 沖 穩(wěn) 定 作 用 該 平 衡 閥 平 衡 回 路 優(yōu) 先 選 用 在 負(fù) 載 重 且 變 化 大 ，對(duì) 穩(wěn) 定 性 和 鎖 緊 性 要 求 高 的 超 越 負(fù) 載 下 降 機(jī) 構(gòu) 中 。 結(jié) 語(yǔ) 隨 著 液 壓 平 衡 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 其 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 也 越來(lái) 越 多 。 不 同

21、 用 途 的 工 程 技 術(shù) 對(duì) 于 液 壓 平 衡 回 路的 性 能 要 求 也 隨 之 不 同 ， 因 此 應(yīng) 該 根 據(jù) 實(shí) 際 情 況 ，選 用 與 之 相 適 應(yīng) 的 平 衡 回 路 ， 以 滿(mǎn) 足 實(shí) 際 工 程 技術(shù) 的 要 求 。 參 考 文 獻(xiàn) 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 Calib

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30、 深 . 平 衡 回 路 中 液 控 單 向 閥 反 向 開(kāi) 啟 控 制 壓 力 的 計(jì) 算 及 分析 . 組 合 機(jī) 床 與 自 動(dòng) 化 加 工 技 術(shù) ， 2003(8) 26 李 興 奎 ,吳 志 勇 ,林 奕 辰 ,甘 秋 .液 壓 平 衡 回 路 的 探 討 J.預(yù) 應(yīng) 力 技術(shù) , 2006 (5): 23-25. 27 趙 家 文 .液 壓 與 氣 動(dòng) 應(yīng) 用 技 術(shù) M.蘇 州 :蘇 州 大 學(xué) 出 版 社 , 2004. 28 何 存 興 .液 壓 元 件 M.北 京 :機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ,1982:389470. 29官 忠 范 .液 壓 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) M.北

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32、 開(kāi) 口 度 的 計(jì) 算 準(zhǔn) 則 及 對(duì) 系統(tǒng) 性 能 的 影 響 J.液 壓 氣 動(dòng) 與 密 封 ,2008,(3). 35章 宏 甲 ， 黃 誼 ， 王 積 偉 . 液 壓 與 氣 壓 傳 動(dòng) M .北 京 ： 機(jī)械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2002. 44 BUCHER. Safety for Hydraulics “Cindy” Leak Free Load Control Valves, Manifold Mounting Design M. Reference: 300 -P-9050013 -E02/03, 04: BUCH-ER, 2002. 36徐 灝 .機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 手

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