常見平衡回路問題的分析及改進(jìn)

文／徐虎，廖端，劉晶，王偉，黃永普·廣汽乘用車有限公司宜昌分公司

對于常見的幾種液壓平衡回路，分別從上升、保持和下降等三個階段進(jìn)行了系統(tǒng)全面的工況分析，列出了一些常見平衡回路存在的問題，不僅提出改進(jìn)后的參考平衡回路，還對平衡回路的穩(wěn)定性和可能的問題原因進(jìn)行了分析。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，很多機(jī)器設(shè)備不可避免地需要負(fù)重進(jìn)行垂直升降運動，當(dāng)負(fù)載下降時，會因為自身所受的重力而加速下行，這對生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)機(jī)械設(shè)備的正常使用造成了較大的影響，甚至?xí){到作業(yè)人員的人身安全。這在生產(chǎn)實際中是絕對不允許發(fā)生的，因此非常有必要在機(jī)器設(shè)備的液壓系統(tǒng)中設(shè)置平衡回路來避免安全事故的發(fā)生，為正常的生產(chǎn)作業(yè)提供安全保障。本文列出了常見的幾種液壓平衡回路，并對其進(jìn)行系統(tǒng)全面地分析，不僅為該類型回路的正確應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而且提出了具體參考建議。

平衡回路概念

為了避免或減少在垂直方向運動時，執(zhí)行元件或負(fù)載因為自重而出現(xiàn)的下滑和失速現(xiàn)象，為了有效控制下降運動速度，通常會選擇在回路中設(shè)置阻力，以便能夠讓所產(chǎn)生的背壓來平衡執(zhí)行元件或負(fù)載的重量，這樣的回路稱為液壓平衡回路。

對于具有升降功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在上升時重力的方向與運動方向相反，稱為正向負(fù)載；下降時重力的方向與運動方向相同，稱為負(fù)向負(fù)載。其中負(fù)向負(fù)載在實際應(yīng)用中很常見，如圖1 所示，當(dāng)液壓缸承受負(fù)向負(fù)載時，若回油腔無背壓或背壓過小，負(fù)載就會在重力作用下快速下落，嚴(yán)重時將可能導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在工程應(yīng)用中，通常選擇在液壓缸回油路設(shè)置平衡閥或節(jié)流閥，以便在液壓缸的回油腔形成足夠的背壓來防止“失速”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 常見負(fù)向負(fù)載的工況示意圖

常見平衡回路分析

不管是哪種平衡回路，一般只存在三種工況：上升、保持和下降。平衡回路只有在負(fù)載保持和負(fù)載下降兩個工況時起到作用，在負(fù)載保持時鎖緊回路，在負(fù)載下降時控制速度。下面分別對圖2 所示的3 種常見平衡回路進(jìn)行分析。

上升階段

圖2(a)是單向順序閥和三位四通電磁閥(M 型中位機(jī)能)構(gòu)成的平衡回路，當(dāng)電磁閥交叉位通電時，進(jìn)油路為：電磁閥P 口→電磁閥B 口→單向閥→液壓缸下腔(無桿腔)，實現(xiàn)負(fù)載上升；回油路為：液壓缸上腔(有桿腔)→電磁閥A 口→電磁閥T 口→油箱，這一種工況一般不會出現(xiàn)問題，但由于電磁換向閥(閥芯為滑閥結(jié)構(gòu))存在較大的泄漏因素，當(dāng)負(fù)載上升時，不能夠按預(yù)期的速度和時間到達(dá)行程的終點位置。圖2(b)、2(c)上升階段與圖2(a)上升階段類似，此處不再贅述。

圖2 常見的幾種平衡回路

保持階段

圖2(a)中，當(dāng)電磁閥線圈斷電時，電磁閥處于中位，液壓泵處于卸荷狀態(tài)。必須說明，單向順序閥的控制口開啟壓力應(yīng)比負(fù)載及液壓缸活塞的總重量稍大些，從而回路中無桿腔及單向順序閥之間的油液便被“鎖住”，并且能夠提供平衡力與負(fù)載及液壓缸活塞的自重相平衡。但是，由于單向順序閥中的結(jié)構(gòu)和電磁換向閥的結(jié)構(gòu)均為間隙密封方式的滑閥結(jié)構(gòu)，液壓缸活塞不可能長時間在任意位置準(zhǔn)停，因此這種回路僅僅適用于工作負(fù)載比較固定，并且液壓缸閉鎖要求不高的工況。

圖2(b)與圖2(c)相似，二者區(qū)別就是單向順序閥的控制結(jié)構(gòu)原理不同，圖2(a)中單向順序閥的控制方式屬于內(nèi)控，而圖2(b)中單向順序閥的控制方式屬于外控，回路的其余特征可以此類比，這里不再贅述。

圖2(c)中，鑒于液控單向閥的錐面密封結(jié)構(gòu)，與圖2(a)、圖2(b)相比，泄漏相對小很多，其承重保持性較好。當(dāng)然，圖2(c)這個回路也有需要優(yōu)化的地方，電磁換向閥采用M 型的中位機(jī)能，雖然這樣可以使液壓泵及時卸荷，但因為電磁換向閥A、B口封閉，進(jìn)而使得液壓缸兩腔封閉，液控單向閥控制口處高壓油仍存在一定的壓力，這個壓力來不及瞬間卸掉，造成液控單向閥不能瞬間關(guān)閉，直到由于電磁換向閥的泄漏使控制口處的壓力下降到一定值后，液控單向閥的控制口才能關(guān)閉，這就勢必會降低負(fù)載承重靜止的準(zhǔn)確度，形成低頻振蕩，也就是通常所說的“點頭”現(xiàn)象。將電磁換向閥的中位機(jī)能換成Y 型或者H 型，則電磁換向閥處于中位時，液控單向閥的控制口與油箱相連接，控制口無壓力，液控單向閥不能反向開啟，處于“鎖緊”狀態(tài)，優(yōu)化改進(jìn)后如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的液控單向閥平衡回路

在該回路中，將電磁換向閥中位機(jī)能改成了H形，另外在液壓缸的下腔(無桿腔)增設(shè)了一個溢流閥作為安全閥，避免因液控單向閥或單向順序閥失靈，導(dǎo)致出現(xiàn)無法開啟的異常故障。

下行階段

當(dāng)負(fù)載在下行階段時，希望平衡回路具備良好的承受負(fù)載能力，下行運動過程中的速度要充分受控。

圖2(a)中，當(dāng)電磁換向閥處于平行位時，進(jìn)油路為：電磁閥P 口→電磁閥A 口→液壓缸上腔(有桿腔)，實現(xiàn)負(fù)載下行；回油路為：液壓缸下腔(無桿腔)→順序閥→電磁閥B 口→電磁閥T 口→油箱，單向順序閥在負(fù)載下行過程中起到背壓平衡的作用，當(dāng)調(diào)整順序閥的開啟壓力P順，使得P順與液壓缸下腔(無桿腔)作用面積S 的乘積略大于垂直運動部件(包括負(fù)載和液壓缸活塞)的重量，可防止液壓缸活塞因承受重力而下滑，P順的調(diào)節(jié)可以根據(jù)公式⑴進(jìn)行判斷、把握：

式中，P順為順序閥的開啟壓力(也就是回油腔、下腔、無桿腔的背壓力)；S1為液壓缸下腔(無桿腔)的作用面積；G 為負(fù)載和液壓缸活塞的重量之和。

現(xiàn)假設(shè)液壓缸上腔(有桿腔)的通油壓力為P，液壓缸有桿腔的作用面積為S2，則要使液壓缸能夠平穩(wěn)、均勻下行，需要滿足公式⑵：

根據(jù)流量連續(xù)性方程可得公式⑶：

式中，v1為液壓缸下腔(無桿腔)通油的運動速度；

v2為液壓缸上腔(有桿腔)通油的運動速度；

令k ＝v1/v2為液壓缸的上下兩腔運動的速度比，結(jié)合⑵、⑶兩式，可得：

由此可以得出P順順序閥的開啟壓力(也就是回油腔、下腔、無桿腔的背壓力)的計算公式。當(dāng)負(fù)載不斷下行的同時，液壓泵通過電磁換向閥開始往液壓缸有桿腔(上腔)供油，有桿腔(上腔)產(chǎn)生一個向下的作用力，加上負(fù)載及活塞向下的重力，使回油腔壓力增大，使得順序閥開啟。

因為順序閥能起到一定的背壓，所以液壓泵排出來的油液分兩支路排放：一條支路通過電磁換向閥到達(dá)液壓缸有桿腔；另一支路通過溢流閥溢回油箱。當(dāng)在液壓回路運行的某一時間段內(nèi)，因為有溢流閥的溢流效應(yīng)存在，液壓缸無桿腔(下腔)油液壓力會出現(xiàn)時高時低的波動，造成的后果就是回油路上的順序閥時開時閉，進(jìn)而造成液壓缸運動的不平穩(wěn)。當(dāng)減小負(fù)載重量時，順序閥壓力已在負(fù)載減小之前調(diào)定好了，使得液壓回路系統(tǒng)的功率損失將增大，效率下降，因此該回路不適合運動速度穩(wěn)定性精確、負(fù)載變化快的工況。

圖2(b)中的回路與圖2(a)中回路相比，單向順序閥的開啟與否取決于控制壓力，而與負(fù)載無關(guān)，在活塞下運行時順序閥被控制油打開，由于背壓低導(dǎo)致系統(tǒng)效率很高，但是活塞部件有可能加速下滑，存在平衡性較差以致產(chǎn)生振蕩的可能。為此，可采取相應(yīng)措施對回路進(jìn)行改進(jìn)，如在順序閥的控制口中加入節(jié)流閥，調(diào)整節(jié)流閥的開度使順序閥啟閉動作減慢，在一定程度上可以達(dá)到減輕液壓沖擊的目的。改進(jìn)后的液控順序閥平衡回路如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后的液控順序閥平衡回路

平衡回路穩(wěn)定性分析

下面以圖4 所示的平衡回路為例，對平衡回路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先著重分析回路下行階段，當(dāng)電磁換向閥平行位通電后，壓力油通往液壓缸有桿腔(下腔)，與此同時，該壓力油與平衡閥控制口接通，平衡閥開啟后液壓缸活塞便有向下的速度v 輸出。當(dāng)活塞的實際運動速度比理論運動速度(這取決于通往液壓缸有桿腔的理論供油流量)快時，這也就相當(dāng)于是從液壓缸有桿腔(上腔)多流出流量△q，對應(yīng)地液壓缸有桿腔(上腔)的壓力就會下降△p，也就是平衡閥控制口的控制壓力下降了相同的數(shù)值，平衡閥閥芯有趨于關(guān)閉的趨勢。

如果在平衡閥的控制口處施加一個突變信號，平衡閥閥芯會停止關(guān)閉的趨勢，轉(zhuǎn)而有加速開啟的趨勢，當(dāng)閥芯加速開啟到平衡閥的通流面積增加到穩(wěn)態(tài)值的時候(所謂穩(wěn)態(tài)值，即平衡閥產(chǎn)生的背壓力剛好能夠平衡液壓缸的下行負(fù)載)，閥芯達(dá)到受力平衡。因為有慣性加速度的存在，平衡閥閥芯會繼續(xù)開啟，平衡閥調(diào)壓彈簧進(jìn)一步被壓縮，彈簧力進(jìn)一步增大，閥芯所受阻力增大，閥芯開啟速度降低，此時平衡閥的通流面積已經(jīng)超過穩(wěn)態(tài)值，液壓缸無桿腔(下腔)已不能平衡下行負(fù)載，活塞加速向下運動，液壓缸有桿腔(上腔)壓力趨于減小，相應(yīng)地平衡閥會趨于關(guān)閉。同時，液壓缸向下運動的速度會降低，液壓缸有桿腔(上腔)壓力增大，造成的結(jié)果是平衡閥又趨于開啟。

在這個過程中，平衡閥交替出現(xiàn)開啟、關(guān)閉，而液壓缸交替出現(xiàn)加速、減速。如果平衡閥的超調(diào)量小，即平衡閥在動態(tài)過程時只是輕微振蕩，后趨于平穩(wěn)，可以認(rèn)為平衡回路是穩(wěn)定的。如果平衡閥超調(diào)量過大，平衡閥會持續(xù)振蕩，液壓缸會出現(xiàn)加劇爬行的現(xiàn)象，此時平衡回路不能被判定為穩(wěn)定。

考慮到液壓回路不可避免地存在負(fù)載慣性、油液的壓縮性等因素的影響，當(dāng)輸入控制壓力信號到反饋壓力信號時，不可避免地存在滯后性。根據(jù)前面的分析，我們可以得知平衡閥通流截面梯度大，相應(yīng)的流量增益也很大，由液壓缸無桿腔(下腔)連帶活塞、平衡閥組成的開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)增益相應(yīng)很大。由控制理論基礎(chǔ)知識可知，當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)的相位滯后180°時，對應(yīng)的幅值增益大于0db，此時的平衡回路系統(tǒng)不再處于穩(wěn)定狀態(tài)。為避免平衡回路系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在難以改變回路系統(tǒng)相位滯后的情況下(因為負(fù)載慣性、油液壓縮性不可避免)，一個可行的措施是采取降低回路系統(tǒng)的開環(huán)增益。例如，當(dāng)平衡閥控制口壓力施加過快(過大)或受外界干擾而出現(xiàn)波動時(此時相當(dāng)于是回路系統(tǒng)的開環(huán)增益增大)，可在平衡閥的控制油路上增設(shè)可變節(jié)流閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，即使出現(xiàn)振蕩和干擾，當(dāng)通過節(jié)流閥時也會因能量消耗而衰減，使得回路系統(tǒng)開環(huán)增益減小，提高回路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結(jié)語

上文分析了幾種典型的平衡回路，有各自的適用工況和優(yōu)缺點，并針對各自回路的特點提出了優(yōu)化改進(jìn)后的回路，對改進(jìn)優(yōu)化后平衡回路的穩(wěn)定性也進(jìn)行了分析。在平衡回路實際運用中，設(shè)計或者現(xiàn)場維護(hù)人員應(yīng)根據(jù)實際工況需求來綜合取舍，正確擬定液壓原理，合理調(diào)試元件參數(shù)，分析系統(tǒng)中的變量狀況，這樣才能保證系統(tǒng)順利可靠地運行。