平衡閥和液壓鎖
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- 平衡閥和液壓鎖1 引言
油缸承重下降問題在工程機械中經常遇到，設計人員均不會忽視在油路中加裝相應的閥組，使油缸不致于失重下降。一般是在油缸的回油腔加裝液壓鎖和平衡閥或只加平衡閥解決油缸中位鎖定和均速下降問題。在中低壓回路中可采用加裝液壓鎖和平衡閥來解決這一問題，但在系統工作壓力為25MPa以上的高液壓回路中若采用同樣方法，應格外重視油缸大腔壓力的變化。一般認為油缸頂升負載時大腔壓力最大，實際上油缸承重下降時大腔壓力大于頂升時壓力，設計液壓系統時，若對此認識不足，會引起密封、管件或油缸損壞，嚴重時會導致系統無法工作，本文就這一問題用實例進行分析并提出解決方法。
2 應用實例
我們在一種大型機械設備研制中，要用一個油缸頂起150t的設備并進行升降，最初用雙向液壓鎖和平衡閥使其保壓鎖定，并使其勻速下降，其原理如圖1所示。油缸有桿腔和無桿腔面積比為1：2，由于結構和空間要求，油缸需倒裝，雙向液壓鎖附在油缸缸筒中部，油缸無桿腔和有桿腔接口與液壓鎖之間用硬管相聯，平衡閥和電磁換向閥設在泵站上。
本系統主要是解決油缸在外載Q作用下能自如上升、中位鎖定、勻速下降問題，最初按常規的雙向液壓鎖和平衡閥元件方法來完成，關鍵是如何選擇液壓鎖和平衡閥的開啟壓力。一般來說，液壓閥的開啟壓力為系統工作壓力的30%，在液壓鎖和平衡閥共存的回路，液壓鎖的開啟壓力應略小于平衡閥的開啟壓力，而液壓鎖的開啟壓力與負載以及液壓鎖的活塞開啟面積比有關，本系統中選擇液壓鎖的開啟面積比為1：3。在設備調試中，油缸承重下降時，多次出現油缸大腔外接管接頭的組合墊圈崩裂現象，對管接頭加強處理后，油缸尾部的焊縫又出現斷裂現象，系統出現損壞現象肯定是無桿腔壓力過大所致，引起壓力過大的機理是本文所討論的重點。
按圖1的液壓原理，油缸開始下降的瞬間，雙向液壓鎖還未完全打開的情況下，平衡閥的背壓幾乎為零，平衡閥先打開，只有液壓鎖完全打開后，平衡閥和液壓鎖背壓相同，這時可起到平衡作用。
為了便于分析，去掉平衡閥分析正常承重下降時液壓鎖打開壓力P2和油缸無桿腔壓力P1的關系，并估算出P1的最大值。系統不工作時，由于負載Q的存在，無桿腔初始壓力為P0=25MPa，液壓鎖的負載壓力亦為P0=25MPa。油缸需要下降時，A口開始供油，需要打開液壓鎖時，油缸有桿腔壓力應為P2=P0/3，隨著P2壓力的建立，就會引起P1壓力的增加，第一次增量為△P11= P2/2=P0/6，由于液壓鎖負載壓力增加了△P11，若要打開液壓鎖，油缸有桿腔壓力需再增加△P2=△P11/3，這樣又引起P1壓力的第二次增加，增量為△P12=△P2/2=△P11/6=P0/62，如此循環，液壓鎖完全打開時，油缸無桿腔壓力為：
P1= P0+P0/6 +P0/62 +…+P0/6n-1 =P0（1+1/6+1/62+…+1/6n -1）
令X=1/6則：
P1=P0（1+ X + X2 +…+ Xn-1 ）
這是標準的幕級數，當| X |<1時，級數收斂于：
P1=P0/（1-X）=25/（1-1/6）=30MPa
可見液壓鎖完全打開，油缸勻速下降時，油缸大腔的壓力理論上會達到30MPa，大于油缸上升時25MPa，如果考慮液壓鎖開啟不穩定系數和重物下降動載系數，則：
P1=30×1.2 = 36MPa
如此大的高壓，雖然可通過選擇閥組較低的開啟壓力而降低，但在有限的產品中，很難選擇合適的閥組，并且開啟壓力很低時，系統很易產生運行不平穩現象。
3 問題的解決方法
高壓回路中不能采用圖1那樣用液壓鎖和平衡閥解決油缸承重下降問題，除非提高油缸和回路的壓力等級。根據分析，可按圖2所示的液壓原理對方案進行改進，用FD型平衡閥代替雙向液壓鎖和平衡閥。
FD型平衡閥開啟面積比為1：20，換向閥處于中位時，平衡閥起單向鎖作用，換向閥換向，油缸承重下降時，A口供油，B口回油，按以上分析和計算方法得知，當A口壓力達到P1= 25.7MPa，平衡閥換向打開，處于節流作用，可使油缸均速下降。無桿腔壓力略高于系統工作壓力，油缸和管接頭均在允許范圍之內。實踐證明：FD平衡閥較小的開啟壓力和節流平衡作用，可以使油缸具有良好的平穩下降性能。
FD平衡閥高壓口帶有一個溢流閥稱為二次回油，可限制油缸高壓腔的最高壓力，一般來說溢流閥設定壓力高于平衡閥打開時負載壓力的10%。本系統中設定壓力為28.2MPa，正常工作時溢流閥不會溢流，只有當系統振動和其它外界因素引起油缸無桿腔壓力超過設定值時，溢流閥才起作用，保護油缸和外接管路不被損壞。
4 結語
油缸承重下降回路是一個很普通常見回路，在中低壓系統中，由于油缸和回路中其它元件安全系數較大，不易出現故障，人們常常忽視對系統壓力的變化進行分析。在高壓系統設計中應引起設計人員足夠重視，應正確的擬定液壓原理，合理的選擇元件參數，分析系統中壓力的變化情況，對于可調壓力元件，應在試驗臺上進行設定，這樣才能保證系統能安全可靠的運行。...
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