船用液壓系統平衡閥的應用和系統故障排除

湯傳春

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰214400)

0 引言

液壓驅動由于其輸出扭矩大、調速性能強等優點，廣泛應用在船用甲板機械諸如錨纜機系泊機械、克令吊、艙蓋啟閉等液壓系統中。這些甲板機械的起升、旋轉、變幅等機構，在帶載下降過程中均存在由于自重而超速下行的風險，因此在液壓系統回路中必須設置能產生一定背壓的液壓元件即平衡閥，以限制和調整負載部件的下落速度，保證負載在任意位置上被制動，確保設備平穩、可靠運行。通常平衡閥是由順序閥和單向閥組合而成，在順序閥的閥體內并聯裝設單向閥，并在控制油路中設置相應的阻尼，以確保控制過程平穩無沖擊。

甲板機械液壓系統運行環境惡劣，船員缺乏專業的維護能力，出現故障的頻率較高。這些故障隱蔽性強、現場檢測手段有限且癥狀和原因重疊和交叉，對于設備維修人員的專業知識和經驗要求較高。為此，本文從平衡閥的結構和工作原理、平衡回路在船用機械液壓系統中的作用、典型液壓平衡回路系統故障的成因和解決方法等方面進行研究，為相關船用設備系統的維護、修理和調試提供借鑒。

1 平衡閥的結構和工作原理

1.1 板式平衡閥的結構和工作原理

FD型平衡閥主體結構采用了液控單向閥節流設計，其內部結構見圖1。

1—閥體；2—主閥芯；3—先導體；4—控制閥芯；5—阻尼閥芯；6—阻尼孔；7—主閥腔；8—主閥彈簧腔；9—控制活塞彈簧腔；A—油口(接閥側壓力油)；B—油口(接工作負載，油缸或油馬達)；X—控制油接入口；M—測壓口；T—回油口。

當液流從A至B時，其控制油口X不工作，壓力油只需克服主閥芯彈簧的壓緊力，便將主閥芯2打開，油液通過打開的閥口實現了流動。此工況條件下平衡閥具有單向閥的功能，可以確保當與A口相連的管路突然爆裂或者系統換向閥切換至中位等情況下，主閥芯在油腔8的負載油壓和彈簧的共同作用下直接關閉。由于錐形主閥芯與閥座形成線密封，可以達到接近于零泄漏的截止狀態，這樣可使運行中的負載安全定位，不至于突然墜落。

當液流從B至A時，由于負載油壓和彈簧力的共同作用，主閥芯2處于關閉狀態，油路處于截斷狀態；要使液流從B到A實現反向流動，必須將主閥芯2打開。此時，從系統回路中分流引出的控制油壓通過油口X作用在控制閥芯4上；當建立起足夠的控制壓力，由于與X口連接的阻尼口的作用，緩慢推動控制閥芯推動先導體3，使其離開閥座，油腔8內的壓力通過先導體開啟的開口與油口A相連，使腔8卸壓，進而推動主閥芯開啟，實現液壓油從B流向A口。設置先導件3可以大大減小控制壓力，使其控制壓力與油口B的負載壓力之比低于1∶20，同時先導件3、阻尼閥芯5和阻尼孔6共同作用以確保打開主閥芯過程中的穩定性，避免高壓封閉回路壓力突然釋放，產生較大液壓沖擊和噪聲[1]。

1.2 插裝式平衡閥的結構和工作原理

CB型插裝式平衡閥是一種在中小流量船舶液壓系統中廣泛使用的閥件，安裝方便，可靠性、穩定性高，其內部結構見圖2。

1—主閥芯；2—主閥座；3—主閥芯彈簧；4—閥套；5—控制彈簧；6—調節螺栓；C—油口，先導口接控制油；B—油口，自由口接主壓力油；A—油口，負載口接工作負載。

當液流從油口B至油口A時，先導油口C處無控制油壓進入油腔，主閥座處于靜止狀態。由于主閥芯彈簧較軟，壓力油能夠克服此彈簧力推動主閥芯右移，液流通過打開的閥口實現油口B和油口A的連通。該工況條件下該閥呈現單向閥特性。

當液流從油口A至油口B時，由于壓力油和彈簧力的共同作用，主閥芯處于反向截止狀態。油口C通入控制油的壓力作用在主閥座橫截面上。當控制油壓力大于控制彈簧的設定壓力值時，主閥座便被推動往左移動，油口A和油口B接通。

2 平衡閥在船舶液壓系統中的實際應用

2.1 平衡閥在錨纜機液壓平衡回路中的應用

船舶錨纜機的錨鏈在收放過程中，由于其自重或者系統內液壓元件內泄而導致錨鏈存在自行快速下落的風險，因此在液壓馬達的回路中設置能夠產生一定背壓的平衡閥塊，以確保液壓馬達系統及時鎖止，保證在錨鏈下放過程中其速度穩定可控。

當換向閥處于中位時，由于換向閥選擇H型或Y型等中位機能，平衡閥控制油路沒有壓力，平衡閥處于關閉狀態，錨機液壓馬達被系統油壓牢牢地鎖止在靜止位置。當換向閥處于起升檔位工作時，液壓油直接通過平衡閥油口將單向閥打開后進入到液壓馬達，驅動液壓馬達輸出扭矩帶動錨鏈上升，回油直接通過換向閥流回油箱。當換向閥處于下放檔位工作時，液壓油進入液壓馬達，同時從壓力油路引流的控制壓力油作用在平衡閥控制油口處，利用控制油壓將平衡閥中的順序閥閥口打開，回油通過打開的閥口，液壓馬達運轉下放錨鏈。平衡閥內部閥口開度越大，錨鏈下行速度越快。當錨鏈下放速度過快后，導致馬達驅動腔供油不足而失壓，平衡閥也因失壓導致閥口開度變小甚至關閉，錨鏈下降速度變慢甚至停止，達到防止液壓馬達失速的目的。

2.2 平衡閥在克令吊液壓系統中的應用

平衡閥在克令吊的變幅機構、起升機構和旋轉機構的液壓系統回路中均有應用。根據各個機構的功能和需求的不同，平衡閥在系統中承擔的作用也有所不同。本文以某船軟管吊液壓原理圖為例進行分析，其圖見圖3。

1—變幅油缸；2、5、9、10—平衡閥；3、7—制動油缸；4、8—液壓馬達；6、11—梭閥；L1、L2—殼體泄露油口。

(1)起升機構的液壓馬達采用液壓機械聯合制動回路，通過剎車油缸和平衡閥的雙重作用制動液壓馬達，平衡閥則依靠自身閥芯關閉的密封效果防止液壓馬達逆轉。在提升和下放過程中，液壓油在推動馬達的同時均通過梭閥給剎車油缸供油，解除馬達的制動；同時在負載下行過程中，由于平衡閥可以在回路中形成一定的背壓，以阻止負載因自重而快速下落，起到限速保護的作用。

(2)變幅機構的液壓平衡回路中平衡閥的作用是：當換向閥在中位時，平衡閥保證吊臂在任何位置不因自重而下落；該閥塊安裝在油缸本體上，即使系統管路發生破裂，也能確保吊臂安全。所以，該閥在此系統中被稱為防爆閥。

(3)旋轉機構的液壓馬達在旋轉過程中會受到驅動負載和運動速度的影響。當其從運動到突然靜止或換向切換的過程中，由于負載部件慣性大，傳動齒輪會產生很大的沖擊和振動。為了消除或減少液壓沖擊，在系統正反轉油路中設置雙向平衡閥，依靠平衡閥的自鎖和節流的特性，使回轉機構在停車或換向前能夠預先減速，達到緩沖的目的。

3 平衡閥在船舶液壓系統中常見的故

障及排除

3.1 某船自卸臂拉伸油缸不下落

3.1.1 故障現象

某改裝船自卸系統在調試的前期階段，自卸臂的抬升油缸伸出和縮回動作都很正常，但數次操作后，抬升油缸出現回縮而不能伸出的故障。

3.1.2 排查過程

對自卸臂抬升液壓系統原理進行分析發現：當電磁換向閥的電磁鐵通電后，系統的壓力油進入油缸的無桿腔，同時分流的控制油將有桿腔回路中的平衡閥打開，確保有桿腔的液壓油通過平衡閥，繼而再通過單向節流閥和換向閥后流回油箱，拉升油缸完成回縮動作。

首先對電磁換向閥進行檢查，手動操作電磁閥兩端的推桿，閥芯在閥體內動作靈活無卡滯，彈簧復位正常，故障現象依舊，排除電磁換向閥不工作的可能性。后期對電磁線圈的電壓和阻值進行測量，結果均顯示正常，進一步排除電路控制系統的故障。抬升油缸在將自卸臂拉升至一定高度后靜置一段時間，自卸臂并未下滑，可以推斷出抬升油缸完好。通過測試系統壓力為28 MPa左右，不存在控制油壓不足而無法有效推動打開平衡閥內部閥芯的可能性。

通過查閱圖紙可知，該閥結構型式與FD型平衡閥類似，但控制活塞的泄油方式不同。FD型平衡閥為外控內泄式，此閥為外控外泄式，其控制活塞的背壓腔L與油箱相連，見圖4。根據結構分析，控制活塞能否正常運作取決于控制油壓的大小及背壓腔油液的正常泄放，排除第一種可能性后，進一步檢查發現背壓腔L與油箱的管路中球閥處于關閉狀態，將其打開后，抬升油缸故障消失[2]。

1—控制活塞；2—主閥芯；3—先導閥芯；K—控制油接入口；L—泄漏油接入口；P1—壓力油進口；P2—壓力油出口。

3.1.3 故障原因

該平衡閥控制活塞為外控外泄式，控制活塞與閥體為間隙密封，正常工作時會有油液通過縫隙進入活塞的背壓腔。由于泄放閥被關閉，導致液壓油越聚越多形成背壓，阻礙控制活塞的運動，因此系統在調試初期動作正常，操作次數變多后故障發生。

3.2 某船右食品吊液壓絞車故障

3.2.1 故障現象

在負荷試驗過程中，某船食品吊起升后的配重物在換向閥回中位后出現快速下墜的故障。

3.2.2 排查過程

該絞車液壓馬達回路為液壓機械聯合制動回路。在換向閥不操作時，負載的制動主要依賴剎車油缸內部的彈簧及摩擦片產生的機械制動和平衡閥自鎖性能。從剎車油缸系統和平衡閥兩方面排除上述故障的原因。首先對剎車油缸系統進行排除，在不操作起升機構換向閥的情況下，將剎車油缸的控制油管拆除后悶妥，操作變幅機構的換向閥，利用變幅油缸將配重塊小幅度頂升離地，配重塊仍舊出現快速下落的情況。基于下落速度，可判斷平衡閥出現故障的可能性較大。

3.2.3 故障原因

對平衡閥進行解體發現，閥塊內部的閥套裝配出現錯誤(見圖5)，導致該閥失去了鎖止的作用，僅靠剎車油缸提供不了足夠的制動扭矩。

圖5 閥芯安裝圖

3.3 某船克令吊回轉馬達輸出齒磨損的故障

3.3.1 故障現象

某船3#克令吊回轉機構馬達齒輪磨損嚴重。

3.3.2 排查過程

現場檢查齒輪與齒圈之間的潤滑脂加注正常，基本排除潤滑不良造成的磨損。操作回轉機構，發現該回轉機構在啟動和停車階段，尤其是停車階段，克令吊上塔體來回劇烈晃動，齒輪與回轉軸承齒圈存在嚴重的撞擊。當克令吊在裝卸貨物等負荷較大的情況下撞擊更為嚴重，基本可以判斷該現象是造成齒輪異常磨損的原因。

3.3.3 故障原因

查閱系統原理圖(見圖6)可知，該回轉機構中設置雙向平衡閥。通過對平衡閥進一步的解體發現，內部的彈簧出現斷裂，失去鎖止和緩沖的功能。

1—液壓馬達；2—換向閥；3、4—平衡閥；5、6—安全閥。

更換新的彈簧并調節螺栓設定合適的彈簧預緊力后，回轉系統運行平穩，撞擊現象消失。

4 結語

船舶液壓設備及其平衡液壓系統故障具有很強的隱蔽性，在充分理解平衡回路具有自鎖和限速功能的基礎上，需要根據不同的故障現象仔細排查，有助于快速找出故障原因并提出解決方法。

在實際使用過程中，影響平衡閥正常工作的因素較多。作為技術人員應該熟悉掌握其結構特點、工作原理，才能應對不同的技術故障并予以解決。