平衡锁定元件在高液压回路中的应用与探讨

秦海翼

油缸承重下降问题在工程机械中经常遇到，设计人员均不会忽视在油路中加装相应的阀组，使油缸不致于失重下降。一般是在油缸的回油腔加装液压锁和平衡阀或只加平衡阀解决油缸中位锁定和均速下降问题。在中低压回路中可采用加装液压锁和平衡阀来解决这一问题，但在系统工作压力为25MPa以上的高液压回路中若采用同样方法，应格外重视油缸大腔压力的变化。一般认为油缸顶升负载时大腔压力最大，实际上油缸承重下降时大腔压力大于顶升时压力，设计液压系统时，若对此认识不足，会引起密封、管件或油缸损坏，严重时会导致系统无法工作，本文就这一问题用实例进行分析并提出解决方法。

秦海翼

我们在一种大型机械设备研制中，要用一个油缸顶起150t的设备并进行升降，最初用双向液压锁和平衡阀使其保压锁定，并使其匀速下降，其原理如图1所示。油缸有杆腔和无杆腔面积比为1：2，由于结构和空间要求，油缸需倒装，双向液压锁附在油缸缸筒中部，油缸无杆腔和有杆腔接口与液压锁之间用硬管相联，平衡阀和电磁换向阀设在泵站上。
- i# o% {, O" S本系统主要是解决油缸在外载Q作用下能自如上升、中位锁定、匀速下降问题，最初按常规的双向液压锁和平衡阀元件方法来完成，关键是如何选择液压锁和平衡阀的开启压力。一般来说，液压阀的开启压力为系统工作压力的30%，在液压锁和平衡阀共存的回路，液压锁的开启压力应略小于平衡阀的开启压力，而液压锁的开启压力与负载以及液压锁的活塞开启面积比有关，本系统中选择液压锁的开启面积比为1：3。在设备调试中，油缸承重下降时，多次出现油缸大腔外接管接头的组合垫圈崩裂现象，对管接头加强处理后，油缸尾部的焊缝又出现断裂现象，系统出现损坏现象肯定是无杆腔压力过大所致，引起压力过大的机理是本文所讨论的重点。

按图1的液压原理，油缸开始下降的瞬间，双向液压锁还未完全打开的情况下，平衡阀的背压几乎为零，平衡阀先打开，只有液压锁完全打开后，平衡阀和液压锁背压相同，这时可起到平衡作用。
5 P3 s" a) S+ s; G为了便于分析，去掉平衡阀分析正常承重下降时液压锁打开压力P2和油缸无杆腔压力P1的关系，并估算出P1的最大值。系统不工作时，由于负载Q的存在，无杆腔初始压力为P0=25MPa，液压锁的负载压力亦为P0=25MPa。油缸需要下降时，A口开始供油，需要打开液压锁时，油缸有杆腔压力应为P2=P0/3，随着P2压力的建立，就会引起P1压力的增加，第一次增量为△P11= P2/2=P0/6，由于液压锁负载压力增加了△P11，若要打开液压锁，油缸有杆腔压力需再增加△P2=△P11/3，这样又引起P1压力的第二次增加，增量为△P12=△P2/2=△P11/6=P0/62，如此循环，液压锁完全打开时，油缸无杆腔压力为：
! n+ D& v: Z0 S% [! Y% K/ h     P1= P0+P0/6 +P0/62 +…+P0/6n-1 =P0（1+1/6+1/62+…+1/6n -1）
2 T3 {% y3 z' C# q3 ]! s% [令X=1/6则：
0 f) O  {7 @  q* R3 X9 g    P1=P0（1+ X + X2 +…+ Xn-1 ）
9 a% ?0 e" f) y这是标准的幕级数，当| X |<1时，级数收敛于：
8 c# q( B& o- e$ ]    P1=P0/（1-X）=25/（1-1/6）=30MPa
; J# I2 x- D- ~, u    可见液压锁完全打开，油缸匀速下降时，油缸大腔的压力理论上会达到30MPa，大于油缸上升时25MPa，如果考虑液压锁开启不稳定系数和重物下降动载系数，则：
! f; ]# x, m6 B. C6 q; I    P1=30×1.2 = 36MPa
# s$ s, P  g" w! y1 x. n2 F    如此大的高压，虽然可通过选择阀组较低的开启压力而降低，但在有限的产品中，很难选择合适的阀组，并且开启压力很低时，系统很易产生运行不平稳现象。

秦海翼

高压回路中不能采用图1那样用液压锁和平衡阀解决油缸承重下降问题，除非提高油缸和回路的压力等级。根据分析，可按图2所示的液压原理对方案进行改进，用FD型平衡阀代替双向液压锁和平衡阀。
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2 u$ _( k& u7 I4 J0 e7 h8 C: A    FD型平衡阀开启面积比为1：20，换向阀处于中位时，平衡阀起单向锁作用，换向阀换向，油缸承重下降时，A口供油，B口回油，按以上分析和计算方法得知，当A口压力达到P1= 25.7MPa，平衡阀换向打开，处于节流作用，可使油缸均速下降。无杆腔压力略高于系统工作压力，油缸和管接头均在允许范围之内。实践证明：FD平衡阀较小的开启压力和节流平衡作用，可以使油缸具有良好的平稳下降性能。
6 g- e! B3 l- ?9 ^0 l- a1 H    FD平衡阀高压口带有一个溢流阀称为二次回油，可限制油缸高压腔的最高压力，一般来说溢流阀设定压力高于平衡阀打开时负载压力的10%。本系统中设定压力为28.2MPa，正常工作时溢流阀不会溢流，只有当系统振动和其它外界因素引起油缸无杆腔压力超过设定值时，溢流阀才起作用，保护油缸和外接管路不被损坏。

秦海翼

油缸承重下降回路是一个很普通常见回路，在中低压系统中，由于油缸和回路中其它元件安全系数较大，不易出现故障，人们常常忽视对系统压力的变化进行分析。在高压系统设计中应引起设计人员足够重视，应正确的拟定液压原理，合理的选择元件参数，分析系统中压力的变化情况，对于可调压力元件，应在试验台上进行设定，这样才能保证系统能安全可靠的运行。

糊里糊涂

怎么看不见图呀

YOYOBHM

学习了，谢谢楼主！

xgbdc

见解很深刻

gongjing117

值得学习。楼主的FD型平衡阀是力士乐的吗？