液压平衡阀原理、应用及解决方案

平衡阀的作用

       平衡阀主要用在起重液压系统中，使液压马达和液压缸运动速度不受载荷变化的影响，保持平稳。它附加的单向阀功能，密封性好，在管路损坏或制动失灵时，可防止重物自由下落造成事故。

平衡阀，也叫负载保持阀，用以下几种方式来控制载荷的运动：

1、当管道或胶管损坏时，防止载荷突然下落。2、防止由于方向控制阀阀芯泄油而造成载荷慢慢下落。3、当载荷在处于低压或失控状态时，提供平稳可调的运动。4、当方向控制阀突然关闭时，提供平稳可调的运动。有两种基本的动作控制阀：液控单向阀可以满足以上前2个要求。平衡阀可以满足以上4个要求。

平衡阀具有以下功能：

1、一个方向上的自由油液流动。2、无泄漏负载保持。3、抵御外部压力或过载载荷所造成的压力冲击。4、当载荷过大引起油缸或马达失控时，作为无气蚀动作控制，使供油速度达到泵的流量。5、当方向控制阀突然关闭时，平稳调节油缸动作。

平衡阀分类及结构、原理 

       平衡阀分单向平衡阀和双向平衡阀。单向平衡阀工作原理 单向平衡阀是由锥阀和滑阀组成，具有单向阀和顺序阀的功能。正向的时候过平衡阀，反向的时候平衡阀不通。但在遥控口K的作用下，在反向的时候给锥阀一个压力，打开滑阀，滑阀随开启压力大小控制流量，控制重物下落的平稳度。双向平衡阀 双向平衡阀是两个平衡阀的并联，正反方向都通过平衡阀的调节。

       外控平衡阀的结构图如图1所示，油路如图2所示。

其工作原理是当液流从A口至B口时为自由流动，此时主阀芯2被打开。

液流从B口流向A口时，当控制油口X的压力小于设定的控制压力时，则主阀芯2在油口B中的负载压力和腔8内的弹簧力作用下被直接关闭，起到单向截止功能。

液流从B口流向A口时，当控制油口X的压力达到或超过设定的控制压力时，主阀芯2打开。在控制活塞4的作用下，先导阀3脱离锥阀座并使阀腔8中的油液经油孔和A 口与回油连接。

同时由B口作用在腔8的负载压力随先导阀芯3在主阀芯中的轴向移动而切断，主阀芯2卸压。

同时控制活塞4的右端面顶在主阀芯2上，控制活塞4的左端面紧靠在阻尼活塞5的凹面上。

此时，此时油缸下行，打开B到A所需的X口先导压力只与阀腔9中的弹簧力有关。

随着主阀芯2的右移开启，调节流量的开口面积逐渐增大(开口面积是由阀套中的径向孔和主阀芯2开启时形成的)，开口面积、X口控制压力和开口压差之间形成动态平衡关系，决定了通过B到A的流量基本不变。

 结构图

                         液压符号    

    图1  外控平衡阀

1-阀体，2-主阀芯，3-先导阀，4-控制活塞，5-阻尼活塞，6-节流口，7-主油路，8-弹簧腔，9-弹簧

图2  平衡阀控制油路

当负载G增大时，油缸下行加快，B口压力升高，X口压力降低，使主阀芯2左移，主阀口关小，抑制流量的增加趋势，保持流量的基本恒定。

主阀口关小也会使X口压力瞬间上升，又使主阀芯2右移，因此主阀芯2是随动的，从而实现平衡调速功能，以保证执行器恒速运动。通过控制活塞4的节流口6和阻尼活塞5的两端，实现开启缓冲。

X口控制压力与B口负载压力之比是由控制活塞4两端的面积决定的，所以控制压力只需B口负载压力的几分之一或几十分之一。   

外控平衡阀的控制压力只要达到设定的背压的几分之一或几十分之一即可打开主阀芯。外控平衡阀由于有阻尼的作用，当控制压力达到或大于设定压力时，主阀打开有缓冲。外控平衡阀要尽量靠近执行机构安装，有的直接装在液压缸或马达上，以防止管路破裂造成重物下滑。

平衡阀先导比计算及选用经验 

        平衡阀先导比是先导面积和溢流面积之比，也就是说这个值也等于：当平衡阀弹簧设定某一固定值后，无先导油时需要打开它的压力与先导油单独打开它的压力之比。

先导比=【溢流压力设置-负载压力】/先导压力

        当先导油口没有压力油时 ,平衡的开启压力就是弹簧设定值 .若没有先导供油 ,平衡阀由负载 打开,压降随流量增大会剧烈增加(这也是拿来做平衡负载的).若不考虑出口压力影响的话先 导压力=(设定值-负载)/面积比 内部先导的话，可以通过调节溢流阀螺栓来设定开启压力。具体公式开启压力=(设定压力 -最大负载压力)/阀的先导比。

        当先导油口没有压力油时 ,平衡的开启压力就是弹簧设定值 .若没有先导供油 ,平衡阀由负载 打开,压降随流量增大会剧烈增加(这也是拿来做平衡负载的).若不考虑出口压力影响的话先 导压力=(设定值-负载)/面积比。

        对于平衡阀，假如其导压比为 3:1，由于先导油与进油口打开阀芯对应的受力面积不同存在 3：1 的比例关系，所以打开阀芯需要的控制压力要低，控制压力与进油口打开阀芯的压力比例近似为 1：3。

先导比率

3∶1 (标准) 适用于负载变化较大的状况及工程机械负载的稳定。

8∶1 适用于负载要求保持恒定的状态。

        不同的工作场合和环境下，对压力比的选择不一样，在负载简单，外界干扰小的情况下一般 选用大的液控比，这样可以减小先导压力值，节能。在负载干扰大，易振动的场合一般选择 较小的压力比，确保先导压力波动不会引起平衡阀芯频繁振动。

平衡阀选用注意事项:

1、流量可以略高于额定流量工作；

2、尽可能用低先导比的阀，更稳定；

3、平衡阀是用来控制压力，非速度；

4、所有的设定压力都是开启压力；

5、不能用作溢流阀；

6、尽可能靠近执行器，防止软管爆裂。

1.溢流特性曲线

       溢流特性曲线是指，在先导力为0的情况下，负载口（1号口）通油液情况下，随着流量的增加，压力的变化情况。这里，我们通过图1.1和1.2来进行分析。

       从这两个溢流特性曲线，可以很容易看到阀芯的开启压力和闭合压力不会在一个点上。（即所谓的复位压力）这种不一致（曲线滞环）是因为产品内部密封件引起的。复位压力百分比越高，证明阀芯质量越好。（很多市场上其它品牌常见的“锁不住”现象，就是因为该性能不行所致。）

       阅览平衡阀的溢流特性曲线可以发现，在存在滞环现象的情况下，如果溢流特性曲线“越平”，反而同一压力下对应流量范围越广。这种情况表征的现象为执行器加速动作，“失稳”。所以在使用SUN的CB系列阀芯的时候，尽量避免过度使用溢流功能。对比来看MBEG的溢流特性曲线，我们就会看到，滞环造成的稳定性问题就会小很多，压力流量几乎都是一一对应。但是这种对应带来的是压力升高，所以为保护您的系统MB系列平衡阀也需要考虑它的溢流能力。

       这里需要说的是，这里只是溢流特性曲线。实际使用时，平衡阀是先导力驱动，性能曲线截然不同。

图1.2 MBEG-LJN溢流特性曲线

2.先导压力-流量特性曲线

       图2.1为平衡阀先导-流量曲线。这些都是在1号口一定负载下测得的先导压力-主流量的调节曲线。由图可分析得出，负载本身越重，它所需要的先导力就越小。所有的曲线都是稳定向上走的，这就表明调节过程中压力-流量对应的稳定性没有太多问题。这里面每种平衡阀，它的控制曲线都不尽相同，需要仔细选取。   

图2.1 CBEA-LHN溢流特性曲线

3.行程-通流面积变化曲线

       阀芯行程-通流面积变化曲线即标题图片。这是用来展示阀芯不同位移下，通流面积的变化的情况。通过这条曲线，您可以直观地看到动作阀芯的调节行程，以及调节过程的平缓度。一般而言，阀芯的行程越长越平缓，代表了平衡阀越好的控制性能。

         综合了这么些不同的性能曲线，大致上就可以帮助您判断一款平衡阀性能的好坏。但是，在实际使用过程中，也不仅限于此。

液压平衡阀应用场合 

      平衡阀主要是用于实现负负载平稳下降。实际上就是安装在油缸背压腔出口（图示C2口），受驱动腔压力（C1-V1口）控制的液阻，驱动腔压力（C1-V1口）压力并非我们通过泵、溢流阀控制，它是由系统输入流量决定的。

       因此用平衡阀不能直接控制活塞的移动速度，活塞移动速度主要取决于系统能调节流量的泵/阀决定。

1.双向平衡阀

（1）当一个油缸为双向负载，用双平衡阀（A07031103.00、A07038129.00）

（2）当换向阀处于中位，平衡阀保持负载，若负载变小（负载变小，有可能是重物不变，但是作用方向改变从而造成油缸C2腔压力变化，例如高空设备变幅和伸缩），就会引起C2腔压力变小，此时由于油液的弹性，油缸会稍有伸出，如果此微小伸出不可接受，则需要用双平衡阀。例如一些高空平台的变幅平衡阀、伸缩平衡阀。

（3）注意事项，当一个油缸位置较高，油箱较低，且油缸到油箱之间管路较长时，为防止由于虹吸现象造成换向阀从中位切换到工作位置时需要较长的建压时间，通常会在T口放置一个单向阀，背压可以为0.1-0.2Mpa左右。

2.用于控制行走马达

       在马达控制回路中，因马达存在内泄露，平衡阀无法起到负载保持的作用，只是起到液控节流功能，需要额外的制动器进行保持负载。

      （1）平衡阀用于控制行走机构（例如HBS的A078281.03.00），行走机构通常为摩擦力负载，为正负载，在斜坡时为负负载，为保持机器处在斜坡位置，需要双平衡阀。因为行走速度不高，同时摩擦阻力，惯性不大，持续时间不长，停止时不会引起反向运动，通过马达内泄露即可消除惯性负载。

     （2）用于控制绞车，HBS的A068455.02.00，只有当C3的压力超过制动器的开启压力Pz，制动器才会打开，绞盘才可以运动。否则会造成制动器时开时关，对制动器摩擦片磨损很厉害，同时造成负载运动不平稳。

当绞盘上升时：

V2min=C3min＞Pz   

其中，Pz为制动器开启压力；V2min为负载压力为最小时V2口压力；

当绞盘下降时：

Pt为平衡阀设定压力；Pcmax为最大负载压力；R为先导比；20bar为制动器开启压力Pz。

     （3）用于控制回转机构A080602.02.00（图一）、A080402.12.00（图二），此种回转问题主要是处理回转机构制动时由于较大的惯性所造成的剩余动能，此剩余动能较大，有可能会造成机构的反转。

图一所示：

回转阀可以通过合理的设定平衡阀1.2和缓冲阀3.4的设定值，确保既能实现平稳的缓冲、又能较高的定位精度。

图二所示：

溢流阀设定压力低，制动比较柔和，但定位精度差一些。

溢流阀设定压力高，但定位精度高一些，但剩余压力还会造成反转。

可以通过调定合理的溢流阀设定值确保既能实现平稳的缓冲、又能较高的定位精度。

3.用于提高回路安全性

       对于安全性较高的设备，可以考虑液控单向阀串联平衡阀，在没有控制压力时，如果两个阀中其中一个失效，依然能保证设备安全。

       如果液压锁失效，平衡阀没有失效，工作人员很难发现这个问题。如果平衡阀失效，液压锁工作，那么负载下降运动时，会有抖动。

平衡阀创新解决方案 

图1. 平衡阀特性分析图

       油缸或者马达的稳定性一般都会出现在负负载工作场合。而从平衡阀特性分析图来看，先导力与主压力曲线的斜率越平缓，平衡阀的稳定性越好。

        接下来，我们先仔细理解本文的封面图片：

图2. 平衡阀+顺序阀组合的“平衡控制方案”

        通过顺序阀和平衡阀的组合，可以实现许多大流量的平衡控制方案。同时如果在先导级使用不同的平衡阀，又可以实现各种不一样的控制组合方式。这类的控制方案可以大大拓展设计思路。

1. 平衡阀作限压阀的先导阀并联连接：

通过不同先导比的平衡阀的并联实现不同的控制过程。图3中两个直接作用式平衡阀组成了预控制。负负载是控制压差比为2:1的先导阀处于激活状态。正负载时，也就是进口处的压力相对负载压力较高时，第二个预控制的平衡阀将会激活，控制压差比较高为10:1，为了不让10:1的平衡阀不能再负负载区域开启，这里会有一个限压阀R（实际是溢流阀）。当进口压力很高时，限压阀R打开，10:1的平衡阀才会接收到先导压力信号开启。

通过限压阀R的调节，可以获得不同的控制性能。

图3. 平衡阀作限压阀的先导阀并联连接

2. 平衡阀作限压阀的先导阀并联连接：

如果流量不大，可以直接选用两个平衡阀并联使用，如图4。当然，这里也需要用到限压阀，一次控制阀芯的开启“档位”选择，提高液压系统的工作效率，减少压力损失。

图3. 平衡阀直接并联连接

除此之外，您也可以选择CB系列平衡阀和MB系列平衡阀并联的方案，大流量性价比+小流量稳定性。先导流量控制处添加节流阀，减压阀等等方案。总之，完美的平衡阀控制方案都不是简单的一个部件就可以完成的，请广开思路。

如何提高平衡阀系统的稳定性 

1.更改平衡阀的设定压力

        通常来说提高平衡阀的设定值有助于提高系统的运行稳定性，但是同时也带来了系统工作压力的升高，改变了系统运行工况点。

2.换用控制比较低的平衡阀

        如果发现在液控节流的过程中有抖动，更换控制比较低的平衡阀，安装尺寸通常都能互换，也是比较容易实行的措施。4.3:1的适合常规液压系统；小于4.3:1的适合负负载变化比较大的场合；大于4.3:1的适合负负载基本为常值的场合。

3.降低先导控制压力的波动

         先导控制压力一直波动，平衡阀阀芯位置就会波动，节流口面积就会波动，从而导致流量波动

1）增加固定阻尼： 在控制腔压力管路中加阻尼孔

2）增加可调阻尼：

         当我们不清楚需要用多大的阻尼孔的时候，或者工况多变，可以采用可调阻尼，通过试验确定。因为平衡阀控制腔容积很小，进出控制腔流量就很小，

因此，阻尼孔的孔径必须很小才能起作用。孔径通常为0.3-0.8mm。 这也就是为什么我们为了使平衡阀系统运行的更加稳定，调节阻尼孔一开始感觉不起作用，后来才会感觉起作用。

3）设置单向节流阻尼（例如HBS的A060671.02.00）：

        通常来说增加阻尼会延长响应时间，使平衡阀会慢开、也会慢关。为了使平衡阀慢开快关，可以采用单向阻尼的形式。

4）设置分压节流孔（例如HBS的A070381.29.00、A060471.19.00）：

        通过液压半桥进行分压，可以减小平衡阀驱动腔压力的波动，从而显著提高系统运行的稳定性。但是同时也会带来如下影响：

      （1）通过节流孔分压，会改变工况点，并增加能耗。

      （2）通过节流孔分压，会有一部分油液损失掉，若在定量泵供油系统中，会有可能稍微降低执行元件的运行速度。

 4.平衡阀负载口前附加节流口（如HBS的A070311.03.00A070411.01.00）：有如下作用：

        1）可以分散压降，帮助消耗能量。有时候要消耗掉的负负载很大，达到几十、上百KW。如果集中在一个阀口，发热严重、温升高，还可能引起卡阀。

        2）可以减小震动。

        3）落在平衡阀口两侧的压降小了，平衡阀节流口就可以开的大些，对阀芯位置的波动就不那么敏感了。

        4）可以避免，平衡阀刚开启的瞬间（阀芯受力不平衡、为动态过程）（油缸也是动态受力不平衡），流量过大引起的冲击。

        需要注意的是：节流阀装在平衡阀AB口处，产生一定的回油背压，会增大平衡阀设定值。如果具备安装条件（管式安装、且平衡阀距油缸C1C2口较远），可以考虑把节流阀放在C1C2口处。

本文来自 寰球赤瑜，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。