露天礦用鉆機平衡閥組設計

孫忠志，姜 鵬，潘洪濤，王占武，李 壯

（1.遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.遼寧北辰液壓氣動有限公司，遼寧 阜新 123000；3.鞍山精準光學掃描技術有限公司，遼寧 鞍山 114051）

液壓平衡閥是工程機械液壓系統重要元件之一，對工程機械整機的工作平穩性、可靠性和系統效率有著重要的影響。平衡閥可以限制負載下降的速度，又可實現微調及任意可控在空間某一高度上停止而沒有一絲下滑現象。例如露天礦用鉆機的舉升機構，若無平衡閥，機構就會在負載的作用下產生超速下降、無法控制、出現危險現象等。帶載越大，這種危險就越大。同樣，在全液壓行走系統中（開式系統），在下坡中也會產生超速下滑的危險，因此也需要使用平衡閥[1]。尤其在露天礦山開采的工程機械中使用更為頻繁，現在露天礦山開采設備使用的驅動系統絕大多數都為全液壓驅動，各個負載變化波動較大的執行元件均需要安裝平衡閥組，來保證設備的安全運行。為此，以LWD-200 系列鉆機為例，對各個元件的平衡閥組進行詳細分析設計。

1 平衡閥

1.1 平衡閥工作原理

平衡閥結構圖如圖1，液壓平衡閥允許油液從閥口II 到閥口I 自由流通，當閥口II 油液壓力比閥口I 壓力大時，閥芯在液壓力的驅動下向閥口I 移動，單向閥打開，油液可以從閥口II 流至閥口I。閥口I 至閥口II 的液流是被截止的，直到先導口的壓力達到一定值把閥芯向上移動，使閥口開啟，油液才從閥口I 向閥口II 流動。當先導壓力不足以開啟閥芯時，閥口關閉。閥口I 至閥口II 液流被截止[2]。

1.2 平衡閥的主要作用

1）負載保持。平衡閥可以阻止液壓缸的下移運動，平衡閥允許操作者以一定的速度提升重物并保持在某一位置。

圖1 平衡閥結構圖

2）負載控制。平衡閥可以防止由于執行元件負載的能量，而引發先于液壓泵的動作而產生的動作，從而消除了執行元件的氣穴現象和負載失控現象。

3）安全負載。當液壓油路中的管路爆裂或嚴重泄漏時，安裝在執行元件上的平衡閥可以阻止移動載荷的失控發生[3]。

1.3 平衡閥應用和先導比的選擇原則

平衡閥的溢流設定值一般為1.3 倍的最高工作壓力，但是開啟先導閥的要求壓力取決于先導比，為了優化載荷控制和能量利用，可以參照如下方法選擇先導比[4]：①2.5∶1 當載荷極不穩定時選用，例如長臂吊車；②5∶1 應用于載荷變化并對機械結構產生不穩定的影響時；③10∶1 應用于載荷相對穩定的的應用場合。

2 露天礦用鉆機平衡閥的選型

國內目前常使用的平衡閥為華德公司生產的FD 系列平衡閥，結構大、笨重、不能實現油路內部控制，而且不能實現雙作用控制[5]。

露天礦用鉆機選用美國Sun Hydraulics Corporation公司（以下簡稱SUN）生產的CB 系列平衡閥。SUN是生產液壓螺紋插裝閥的專業廠家，跟傳統的板式液壓閥相比，SUN 公司的螺紋插裝閥具有結構緊湊，減少管路連接等特點，目前，在國外的工程機械上得到了廣泛的應用。SUN 公司平衡閥具有多系列流量和多級導壓比可選，并且泄漏量小（復位時最大內漏量為0.4 mL/min），動作靈敏，工作可靠，可以滿足鉆機的各種流量和導壓比要求。從而保證鉆機在實際使用中需求。同時插裝閥便于集成化設計，可以將多個功能的插裝閥集成在1 個液壓油路塊中，滿足各種負載工況的需求。如在平衡閥組中可以增設溢流閥、減壓閥、梭閥、測壓口等，從而使液壓系統更集成化，安裝更方便化，維修更簡單化。

結合露天礦用鉆機的實際工作情況，發現鉆機在實際工作時，多個執行元件負載變化較大，例如鉆架舉升油缸、支腿油缸、推進油缸、行走液壓馬達、旋轉液壓馬達等。針對油缸類和液壓馬達類平衡閥組分別進行詳細分析研究。

3 露天礦用鉆機平衡閥組

3.1 油缸類平衡閥組

在鉆機支腿油缸、鉆架舉升油缸、推進油缸之路均需安裝雙向平衡閥，從而確保油缸的運行平穩。鉆機油缸負載波動較大，應選用導壓比為2.5 ∶1 的平衡閥。油缸類平衡閥組原理圖如圖2。

圖2 油缸類平衡閥組原理圖

當平衡閥A1 進油時候，油液通過單向閥進入到平衡閥的A2 口，從而液壓油缸內，推動液壓油缸運動，同時，A1 測的壓力油通過液壓閥塊的液壓油道作用于另一個平衡閥的B3 控制口，右側平衡閥在B2 處壓力油和B3 處壓力油共同作用下打開，從而使油液可以從B2 流向B3，完成油缸的動作。保證油缸回油處存在背壓，保證油缸運行的平穩[6]。

當A1 或B1 側發生故障時，例如液壓管路爆管時，A2 或B2 側壓力瞬間消失掉，此時，單向閥瞬間關閉，從而能夠保證2 到A1 或B1 側油液流動被阻止，保證油缸不能下移。

當負載運行角度達到90°之后時，機械負載會在重力作用下，有快速下降的趨勢。如果沒有平衡閥的保護，會產生失速現象，是設備運行不平穩，嚴重情況時，還會發生安全事故。但當安裝平衡閥后，由于機械結構的重力負載帶動油缸運動，此時平衡閥組A1 測壓力較小，作用在B3 測的控制油也較小，右側平衡閥不能被打開，此時，只有當負載產生的壓力B2 達到右側平衡閥設定的最大彈簧力時，能夠克服彈簧力打開右側平衡閥，才能保證允許液壓油缸緩慢運動。如果將右側平衡閥的彈簧力調定的大于機械結構的最大負載力，機械結構就不會運動，能確保機械結構在任何位置固定。

3.2 馬達類平衡閥組

工程機械行走馬達都必須安裝平衡閥組，其基本功能與油缸類平衡閥組基本一致。由于行走負載波動較小，常選用導壓比為10∶1 的平衡閥。

在工程機械馬達行走系統中常配有剎車制動系統，保證液壓系統不工作時，如在陡坡中停車時，剎車制動系統行使作用，將行走減速機抱死，防止出現工程機械溜車現象的發生，保證工程機械殺剎車的可靠性。但當工程機械行走時，首先需要給剎車制動油缸1 個小壓力（常小于40 ×105Pa）的控制油，從而克服制動油缸的彈簧力，使剎車制動系統打開，讓工程機械自由行走。傳統的工程機械需要單獨設置1 路控制油進入剎車系統，來控制剎車制動系統。

馬達類平衡閥組原理圖如圖3。

圖3 馬達類平衡閥組原理圖

無論A1 側還是B1 側進油，高壓油都可通過梭閥進入到減壓閥，經過減壓閥減壓后將低壓的控制油輸送到剎車制動系統，從而打開鉆機的抱閘。保證鉆機的正常行走。總而言之，只要控制馬達行走之路有高壓油時，剎車制動就及時打開，馬達開始自由行走，當換向閥關閉后，馬達總走之路不再有高壓油時，剎車制動馬上抱死，從而保證機械的安全可靠性。同時還可根據不同要求，在平衡閥組中插裝其他類插裝閥，起到溢流保護功能的溢流閥[7]，從而防止液壓系統超載對馬達造成損壞。

4 露天礦用鉆機平衡閥組的應用

根據設計的平衡閥組液壓原理圖，對液壓平衡閥組進行加工制造，并將設計好的平衡閥組在LWD-200 系列鉆機進行了多次試驗，在實際使用過程中發現，與傳統的FD 系列平衡閥相比，鉆機舉升油缸等油缸運行平穩，無顫動現象，而且可以在任意位置停止，并長時間保持穩定性。

行走馬達平衡閥組，在鉆機下坡行走時，也能保證鉆機的平穩運行，鉆機制動時，制動效果安全可靠，當鉆機行走時，剎車制動系統迅速打開，無須其他操作，簡化了鉆機的操作流程，滿足了鉆機整體設計要求[8]。

5 結語

通過實驗與長時間應用發現，CB 系列平衡閥組故障率低、結構緊湊、易于集成化等優點更適用于目前露天礦山工程機械，使用CB 系列平衡閥后鉆機生產與維修效率都明顯提高，CB 系列集成插裝式平衡閥組在更多的露天礦山設備上得到更廣的應用。