平衡阀在液压系统中的应用及故障排除.doc

唐山首钢京唐西山焦化有限责任公司 设备工程部
平衡阀在液压系统中的应用及故障排除
【摘要】：本文通过对平衡阀结构组成的分析，对其工作原理进行了详细的说明，并介绍了在各种变负载液压系统中广泛的应用；然后从平衡阀结构特性的角度，结合平衡阀在某公司焦炉机械装煤车上实际应用中出现的几种常见的故障，定性的分析了它的故障原因并提出了排除及预防故障的方法。
【关键词】：平衡阀 液压系统 震颤 故障排除
【前言】：平衡阀是当今冶金液压系统中应用及其广泛的一种控制阀，本文通过力士乐液压公司ＦＤ型平衡阀工作原理，论述了其在变载机构中的控制作用，并以冶金液压系统中的实例应用加以说明。
一 ，平衡阀的结构与工作原理
FD 型平衡阀是德国力士乐公司设计的平衡阀, 它采用了液控单向节流设计, 从而实现了液控单向阀和单向节流阀的控制功能。其结构原理图如图1 , 当其控制油口X不工作时, 平衡阀具有单向阀的功能, 压力油从A口流入时, 液压阀单向导通, 当压力油从B口流入时, 液压阀反向封闭。如果其控制油口X通有一定的压力油, 由于X口连接的阻尼口（6）的作用, 控制阀芯（4）缓慢运动, 延时后首先推动卸荷阀芯（3）使B口卸压, 然后推动主阀芯（2）开启, 液压油从B 流向A 口。图2为其图形符号。

图1 FD 平衡阀结构原理图
（1）阀体、（2）主阀芯、（3）先导体、（4）控制阀芯，（5）阻尼阀芯，（6）阻尼孔、（7）（8）(9) 均为控制腔

图2 FD 平衡阀图形符号

二，平衡阀在工业液压系统中的实际应用
2.1平衡阀在单杆缸液压平衡回路中的应用
图3 为采用FD 型平衡阀设计的平衡回路, 在换向阀处于中位(为了安全, 应始终使用闭中位的方向阀)时,平衡阀保持垂直放置的液压缸不因自重而下落。当换向阀交叉油路供油时, 液压油经过平衡阀(起单向阀作用) ,推动液压缸活塞提升负载。这时如果液压泵到平衡阀之间的液压油管破裂, 压力下降, 由于负载压力作用, 主阀立即关闭, 油缸保持在工作位置。当换向阀平行油路进行工作时, 由平衡阀的开口面积、开启压力和开口压差决定了液压阀反向的流量, 这本身决定于液压缸另一侧的进口流量, 从而防止液压缸失控。这时如果在方向阀与平衡阀之间发生管子破裂, 不会影响负载的下放操作, 起到安全作用。

图3 平衡阀在单杆缸液压平衡回路中的应用

2.2 平衡阀在起重机的液压机械联合制动回路中的应用
如图4 所示的液压马达采用内部控制制动的回路中, 应用平衡阀时, 换向阀在中位时两个油口一般都要连接油箱, 这样才能保证马达回路中没有压力, 靠弹簧力制动液压马达; 如果采用外部制动控制, 则没有这个限制。当马达起升重物时, 换向阀的交叉回路进入工作, 液压油在推动马达的同时通过梭阀给制动液压缸下腔供油, 解除马达的制动, 实现起重机的提升; 在下放重物时, 换向阀的平行回路进入工作, 同样液压油在推动马达的同时通过梭阀给制动液压缸下腔供油, 解除马达的制动, 进行下放动作。下放速度由平衡阀的开口面积、开启压力和开口压差决定的液压阀反向流量决定, 从而防止液压马达失控。这时如果在方向阀与平衡阀之间发生管子破裂, 不会影响负载的下放操作, 起到安全作用。

图4 平衡阀在起重机的液压机械联合制动回路中的应用

2.3 平衡阀控制摆动负载缸中的应用
控制摆动负载液压缸, 这是一个典型的变负载机构。如图5 所示在液压缸向右运动期间 其活塞腔的负载从最大正向负载到零负载, 然后到最大反向负载。使用平衡阀能够使运动平稳在流量阀控制的速度下, 不出现明显的速度波动。其控制原理很明显, 在负载从最大到0的过程中, 摆动液压缸运动速度由流量阀控制; 在负载由0到最大反向负载的过程中, 有超速运动的趋势, 但平衡阀的作用使之在控制的运动速度下运动, 这在前面的平衡阀工作原理中已经说明。

图5 平衡阀控制摆动负载缸中的应用

三，平衡阀在应用中常见的故障及排除
本文以某焦化厂装煤车导套提升装置作为实例，对平衡阀在实际应用中常见的故障进行分析，并给出相应的排除方法。装煤车导套提升装置是典型的平衡阀在单杆缸液压平衡回路中的应用，在导套提升过程中，平衡阀只起单向阀的作用；在导套下降的过程中，为了避免由于重达200kg的导套突然下坠造成事故，在下降的油路系统中加装了平衡阀。在整个平衡阀安装调试，使用过程中一共发生过如下一些故障：
3. 1 　导套提升执行机构颤抖
在平衡阀调试初期，测试导套下降的过程中，导套提升吊臂连同整个油缸伸出杆及供油管路一直发生高频率的震荡，并伴随不同程度噪音。由于不管是那种形式的平衡阀,在液压系统中起平衡作用时，它的控制油一般大多取自它所控制的油缸的上腔油道（指液压油压力作用方向同负载作用方向的控制腔）。当上腔来油后压力使液控阀(指平衡阀中的液控顺序阀或液控节流阀) 开启,油缸活塞下腔（指液压油压力作用方向相反于负载作用方向的控制腔）就可实现回油,活塞在上腔压力油的推动下下行。若是由重力或外力造成的活塞下滑过快,液压缸上腔压力将迅速下降,导致液控阀重新关闭,活塞运动停止。稍后上腔压力又迅速上升,顺序阀又再次打开,活塞又开始向下运动,如此频繁切换油缸的起动和停止动作就形成了执行机构的颤抖。为了解决这一问题,在平衡阀的控制油路中经常装有一个阻尼器,使来油压力变得平稳,防止了系统压力波动和外界干扰时,平衡阀的液控动作过度灵敏而频繁切换油缸的起停动作。尽管在设计中已经有了这种预防措施,但在实际使用中这种颤抖故障还是时有发生的,究其原因有二:第一控制油路中阻尼器一般是一个可拆卸的小螺堵,其极细小的阻尼眼儿就开在这个螺堵的中心上,由于长时间经受压力冲击这旋装在阀体油道中的螺堵就会出现松动和脱落,这样控制油就失去了阻尼,液控阀动作就会变得敏感而频动,造成了执行机构的颤抖;第二, 就是平衡阀中弹簧调节螺钉位置发生了改变,弹簧预压缩力减小、工作稳定性下降,造成阀芯开启不稳定或开启量过大,失去了平衡阀的背压和节流调速功能,油缸或马达的工作状态在超速下降和制动之间震荡,产生了执行机构的颤抖。在很多针对平衡阀的计算机动态仿真的结果可以看出，形成整个液压系统的震颤的原因主要是控制阀在整个液压控制系统中的稳定性较差，其闭环传递函数是发散的，要改善颤抖的现象，可以从以下几点入手: 一改变其反馈传递函数的特征值，如改变阻尼孔大小，控制回路油管的粗细长短等；二，改变主传递函数的各变量，如调整伺服放大器的放大倍数，改变供油管路通流直径，实际调试过程中，我们改小了控制进油或回油球阀的开度，震颤也随即消失。三，改变控制阀的特性，如改变平衡阀控制弹簧的刚度，调整平衡阀开启压力等。实际调试过程中，我们以第三条中调整平衡阀开启压力解决了导套提升执行机构颤抖的问题。
3. 2 　油缸不降落或下降缓慢
平衡阀还经常出现的故障有:油缸(或马达) 不降落或下降速度缓慢,这个故障的成因主要是平衡阀中节流或顺序功能的实现存在困难。造成这种情况的具体原因首先可能是控制油压太低或是主阀弹簧调整过硬使顺序阀无法开启或是节流阀打开不足。这种情况一般出现在油缸(或马达) 的换向阀上带安全保护阀的系统中。例如有一次一台导套出现了提起正常而不能完全下降的故障,诊断故障时我们甩开平衡阀直接向油缸送油,结果提升吊臂起落一切正常,检查平衡阀也未发现异常。后经检查在主换向阀给油缸上腔供油路上发现有安全保护阀,打开这个阀发现里面的O 形密封圈已断裂,更换新的密封圈后故障就解除了。究其根源就是因为安全阀的密封圈断裂后降导套时上腔压力偏低,造成平衡阀无法打开(平衡阀的控制油取自油缸上腔油道) ,至使油缸下腔回油被锁止,所以吊臂就无法降落了。第二种可能就是平衡阀控制油路中的阻尼孔被杂质堵上了,控制油无法到达并推压阀芯造成阀芯未能开启,油缸无法正常回油所以不能动作。这种情况只需要把平衡阀拆卸下来清洗干净，检测液压油源污染度是否需要更换后即可解决。
3. 3 　油缸卸压，有爬行动作
对于由平衡阀造成的油缸(马达) 卸压、重物下沉的故障,现在许多平衡阀的应用以插装阀形式安装在油缸或活塞杆尾端出现,这种阀总成在外形上多是带有一定锥度的,外部有若干道O 形密封圈,在插装后依靠O 形圈隔离油缸两腔的油道,这种阀若中间的O 形圈损坏,油缸的两腔油道就会串通,也会产生油缸泄压、爬行的问题。另外,平衡阀本身泄压爬行的情况，一般是由于油液含较大颗粒杂质，导致平衡阀内单向阀关闭不严或是顺序阀、节流阀泄压造成的。由于平衡阀对导套提升系统的安全至关重要,而且其结构精密,所以不建议对其部进行较大动作的修复,这种情况下更换新的平衡阀，更换新的清洁液压油就应是最经济又安全的做法了。
【参考文献】：
1. 吴振芳，厉军，平衡阀和双向液压锁的正确选用，建筑机械， 2007年13期
2. 李肇震，曹苏民，林建亚，平衡阀动态性能研究及改进措施，浙江大学学报(自然科学版)， 1988年第S1期
3. 张海平 ，螺纹插装阀介绍之二——平衡阀(续)，流体传动与控制，2006年第06期
4. 胡照旭，液压起重机中的平衡阀及故障分析，内蒙古科技与经济，第8 期
5. 合肥通用机械研究所平衡阀试验课题组，高压平衡阀用O形圈的密封性能和寿命试验，化工与通用机械，1976年第11期

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