對起重機械液壓系統中平衡閥的探討

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院 上海 200062）

液壓系統具有諸多優點：體積小、重量輕、易于集成；剛度大、比功率大、適合低速重載驅動；精度高、響應快、調速范圍寬，速度控制方式多樣，易于實現自動控制；自潤滑、自冷卻和長壽命；過載保護，易于實現安全保護。但也有難以克服的一些缺點：如抗工作液污染能力差、泄漏、制造要求高、成本高等等。

《特種設備目錄》中涉及液壓系統檢查的起重機械主要為流動式起重機，包括輪胎起重機、履帶起重機、集裝箱正面吊運起重機和鐵路起重機4個品種。

1 特種設備中起重機械液壓系統檢驗項目的演變

起重機械液壓系統的檢驗項目隨著特種設備安全監管的不斷深化而變化。

1991年原勞動部頒布實施的《起重機械安全監察規定》對新出廠和在用起重機械液壓系統安全技術要求[1]：平衡閥、泄壓鎖、管路及其連接。還包括：防止過載和液壓沖擊的安全裝置，也就是液壓系統應該設置溢流閥（安全閥）；操縱及控制裝置的要求。

1993年原勞動部頒布實施的《起重機安全技術檢驗大綱》對新安裝、大修改造和在用汽車（輪胎）起重機液壓系統檢驗內容與要求[2]：各平衡閥應可靠工作，開啟壓力應符合說明書的規定。還包括：溢流閥的調定壓力，變幅和支腿液壓缸液壓鎖，液壓元件管口和管路，液壓油，過濾器，油冷卻器，液壓泵和馬達噪音、振動等的要求。

2002年原國家質量監督檢驗檢疫總局頒布實施的《起重機械監督檢驗規程》對監督檢驗的流動式起重機液壓系統檢驗內容與要求[3]：平衡閥和液壓鎖與執行機構的連接必須采用剛性連接。平衡閥和液壓鎖工作應可靠有效。還包括：安全溢流閥，液壓油箱過濾裝置，軟管連接，液壓管路、接頭、閥組等元件，蓄能器等的要求。

2008年原國家質量監督檢驗檢疫總局頒布實施的TSG Q7005—2008《流動式起重機型式試驗細則》流動式起重機型式檢驗項目及其內容、方法和要求[4]：液壓系統是否裝有與其流量相適應的平衡閥或者防止過載和液壓沖擊的安全裝置。

2008年原國家質量監督檢驗檢疫總局頒布，2009年實施的TSG Q7015—2008《起重機械定期檢驗規則》的液壓系統檢驗項目及其內容、要求和方法[5]：檢查平衡閥和液壓鎖與執行機構是否是剛性連接。還包括：液壓回路是否漏油，安全限位裝置、防爆閥（或者截止閥）是否損壞的要求。

2016年原國家質量監督檢驗檢疫總局頒布實施的TSG Q7015—2016《起重機械定期檢驗規則》的液壓系統檢驗項目和要求[6]：平衡閥和液壓鎖與執行機構為剛性連接。還包括：液壓回路是否漏油，安全限位裝置、防爆閥（或者截止閥）是否損壞的要求。與2008版“定檢規”相比，增加了流動式起重機的變幅和垂直支腿油缸滲漏油情況的要求。

由此可見，在對起重機械液壓系統的檢驗中，一直都有對平衡閥的檢驗項目和要求，足見平衡閥在保證設備安全中的重要作用。

2 起重機標準對平衡閥的要求

GB/T 6067.1—2010《起重機安全規程 第1部分：總則》的液壓系統[7]：平衡閥與變幅液壓油缸、伸縮臂液壓油缸、頂升液壓油缸和液壓馬達的連接應是剛性連接。如果與平衡閥的連接管路過長，在靠近壓力管路接頭處應裝設自動保護裝置（防破裂閥）以避免出現任何意外的起升物品下降。

GB/T 24809.2—2015/ISO 10972—2：2009 《起重機 對機構的要求 第2部分：流動式起重機》的變幅機構與起升機構的特殊要求[8]：采用液壓缸變幅時，應在油缸上裝有一套保持裝置（如平衡閥），以防止液壓系統意外失效（如管路破裂）時臂架的墜落。采用液壓缸起升時，應在油缸上裝有一套保持裝置（如平衡閥），以防止液壓系統意外失效（如管路破裂）時載荷的墜落。

JB/T 12576—2015《輪胎起重機》的液壓缸[9]：液壓缸應裝有保護裝置（如液壓鎖、保護閥）。

JB/T 4030.3—2013《汽車起重機和輪胎起重機試驗規范 第3部分：液壓系統試驗》的平衡閥控制壓力測定[10]。

GB/T 14560—2016《履帶起重機》的液壓系統一般要求[11]：平衡閥與被控元件之間應采用剛性連接，且間距應盡量短。

從上述看，特種設備安全技術規范和標準都對起重機械液壓系統的平衡閥做出了具體規定。本文從平衡閥的工作原理來解釋平衡閥受重視的原因。

3 平衡閥工作原理

根據GB/T 17446—2012《流體傳動系統及元件詞匯》，平衡閥是用以維持執行元件的壓力，使其能保持住負載，防止負載因自重下落或下行超速的閥[12]。

起重機械液壓系統中的執行元件主要有液壓缸和液壓馬達。液壓缸多用于變幅機構，通過液壓桿的伸縮改變臂架長度或俯仰角度，實現幅度的變化；液壓馬達多用于起升機構和變幅機構，對起升機構：通過液壓馬達的旋轉帶動卷筒—鋼絲繩系統，利用鋼絲繩的收放，實現負載的升降；對變幅機構：通過液壓馬達的旋轉帶動卷筒—鋼絲繩系統，利用鋼絲繩的收放，改變臂架的俯仰角度實現幅度的變化。平衡閥的作用就在于通過維持執行元件（液壓缸、液壓馬達）的壓力，使執行元件在壓力下保持靜止（或鎖止）狀態，保持住負載，防止負載因自重下落；或通過平衡閥閥芯的動態調整來調節閥的開口面積，使執行機構在動態調整壓力下保持一個穩定的運行速度，防止負載下行超速。下面以變幅液壓缸為例，分析平衡閥的工作原理。

3.1 無平衡閥變幅液壓缸工作狀態

當液壓缸無桿腔進油時，活塞桿外伸，幅度減小；當液壓缸有桿腔進油時，活塞桿內縮，幅度增大。如圖1所示，若未設置平衡閥，幅度變化過程中，液壓缸的負載是變化的，特別是幅度增大（液壓缸內縮）時，負載方向和運動方向一致，為負負載情況，運動有加速的趨勢，有失速的危險；液壓缸和控制系統之間一般用液壓軟管連接，如軟管因壓力過高或老化、受損等發生破裂，則液壓缸無桿腔內壓力消失，活塞桿快速內縮，幅度快速增大，同樣有失速的危險。

圖1 無平衡閥變幅系統

3.2 平衡閥的工作原理

如圖2所示，當在液壓缸上設置平衡閥后，當液壓缸無桿腔進油時，平衡閥處的控制壓力很小（略高于回油口壓力），相當于單向閥，活塞桿外伸；當液壓缸有桿腔進油，平衡閥處的控制壓力達到或大于設定壓力時，推動主閥芯動作，平衡閥開啟。閥的開啟面積（閥芯開啟大小）、控制油口的壓力和閥的進出油口壓差之間通過動態調整實現平衡。當負載變化時，閥的進出油口壓差變化，主閥芯隨之動作調整，直到三者再次實現平衡。通過上述平衡調速功能，在負負載情況下也可以使通過閥的流量保持基本不變，實現液壓缸的平穩運動。對執行機構是液壓馬達的情況，平衡閥的工作原理是相似的。

圖2 有平衡閥變幅系統

3.3 異常情況下平衡閥的作用

在液壓缸上設置剛性連接的平衡閥后，筆者認為平衡閥和液壓缸之間的連接是可靠的。當液壓缸無桿腔進油時，平衡閥處于單向閥工作狀態，若液壓缸有桿腔和控制系統間的液壓軟管出現破裂，不影響活塞桿的正常外伸，操作手柄回到零位時，閥口關閉，負載保持不動；若液壓缸無桿腔和控制系統間的液壓軟管出現破裂，平衡閥迅速由導通狀態切換到截止狀態，此時相當于截止閥，閥口關閉，切斷無桿腔油路，負載保持不動，起到安全保護作用。

當液壓缸有桿腔進油時，平衡閥處于平衡調速工作狀態，若液壓缸有桿腔和控制系統間的液壓軟管出現破裂，液壓缸有桿腔內高壓消失，平衡閥控制壓力也消失，平衡閥迅速切換到單向閥工作狀態，此時相當于截止閥，閥口關閉，切斷無桿腔油路，負載保持不動，起到安全保護作用；若液壓缸無桿腔和控制系統間的液壓軟管出現破裂，不影響活塞桿的正常內縮，操作手柄回到零位時，液壓缸有桿腔內壓力消失，閥口關閉，負載保持不動。

上述安全保護作用都是在平衡閥和執行機構剛性連接條件下實現的，若平衡閥和執行機構之間不采用剛性連接，如采用液壓軟管連接，則連接的可靠性更低，安全風險更高。平衡閥和執行機構之間的連接距離也應盡量縮短，這樣也是為了提高連接的可靠性，所以平衡閥一般都直接固定在液壓缸或液壓馬達上，而不與控制系統其他元件集成在一起。

綜上，在正常情況下，平衡閥處于單向閥工作狀態或平衡調速工作狀態。在單向閥工作狀態下，正向導通，反向截止；在平衡調速工作狀態下，正向調速，反向截止。在異常情況下，主要是液壓軟管意外破裂時，由于平衡閥和執行機構剛性連接，平衡閥仍處于工作狀態，能維持執行元件的壓力，使其能保持住負載，防止負載因自重下落或下行超速，起到安全保護作用。

4 結束語

在起重機械的液壓系統中，平衡閥不僅起到平衡調速和保持負載的作用，而且在某些異常情況下，能確保執行機構可靠停止（鎖止）或防止其超速，起到重要的安全保護作用。

在日常使用中，要重視對平衡閥的檢查。若發現平衡閥和執行機構之間未采用剛性連接或剛性連接不可靠，應立即整改；若發現平衡閥處出現異常噪音、發熱、振動和泄漏等，同時執行機構運動呈現脈動狀態，或無法可靠保持住負載等情況，應及時排查平衡閥故障，避免出現事故。