FD型平衡阀的分析与应用黄国威

李德飞

摘 要：文章对FD型平衡阀的结构和工作原理进行了说明；并通过建立FD型平衡阀的数学模型分析了其根据执行器进口侧流量来控制出口侧流量的特性；最后对FD型平衡阀应用过程中的几个问题进行了探讨。

关键词：FD型平衡阀；工作特性；数学模型；应用

引言

FD型平衡阀亦称单向截止型平衡调速阀，属于流量控制阀的范畴[1]。它有插装式安装、SAE法兰安装和底板安装三种安装方式可供选择，广泛应用于冶金机械的液压控制系统中。在具有负载荷的场合如冷轧机的上、卸卷小车升降和翻卷机倾翻的液压控制系统中，它被用来防止负载荷引起的执行机构“失控”；在惯性力较大的场合如热连轧机钢卷小车行走的液压控制系统，它被用来避免在控制中出现不希望的前冲[2]；在特定的安装位置，FD型平衡阀还可以在系统失压时起到安全阀的作用。

1 FD平衡阀的结构与工作原理

FD 型平衡阀的结构及元件符号如图1所示，由阀体①、主阀芯②、先导体③、控制阀芯④、阻尼阀芯⑤，阻尼孔⑥和控制腔⑦、⑧、⑨组成。接入系统时，油口A与压力源连接，油口B与负载端连接。

当油液流动方向为A-B时，液压力克服控制腔⑧中的弹簧力及负载力将主阀芯②打开，A-B自由流动。若FD型平衡阀紧靠执行机构安装，在A侧失压（例如方向阀至油口A的连接管路爆裂）时，由于控制腔⑧通负载压力，则主阀芯②在负载压力和弹簧力的作用下复位，A-B通道关闭且无泄漏，执行机构定位。此时，FD型平衡阀起到安全阀的作用。

当油液流动方向为B-A时，A口通过换向阀与油箱相连，则必须保证控制油口X有足够的先导控制压力推动控制阀芯④打开主阀芯②，实现B-A的连通。FD型平衡阀的先导比一般为20：1，当X口压力达到负载压力的二十分之一时，控制阀芯④首先推动先导体③升离阀座向右移动，切断B油口与控制腔⑧的连通，同时控制腔⑧中的压力油经其内孔和油口A卸荷，主阀芯②释压。此时，控制阀芯④右端面紧顶主阀芯②，左部凸台接触阻尼阀芯⑤。至此，打开B-A通道即打开主阀芯而所需在X口建立的压力完全取决于控制腔⑨中的弹簧力。B-A开口面积的逐渐增加是靠主阀芯②的控制棱边逐渐打开其阀套上的小孔来实现的。X油口控制压力、B-A的通流面积及B-A之间的压差决定了从平衡阀通过的流量即执行机构的排出流量，而这本身取决于执行器另一侧的进口流量。目前，大部分厂家生产的FD型平衡阀打开B-A通道的初始压力为2 MPa，完全打开需要5-6 MPa。

2 FD型平衡阀数学模型及特性分析

下面结合图3所示的某一升降机构液压系统建立FD型平衡阀的数学模型对其根据进入执行机构进口侧的流量来控制出口侧流量的特性进行分析（分析过程未考虑液动力和泄露）。

控制阀芯4的受力平衡公式：

（1）

液压缸活塞上的力平衡公式：

（2）

执行器的出口流量公式：

（3）

△T时间内动态容腔V1压力增量方程：

（4）

式中各符号的意义：P1-控制油口的压力即执行机构进口侧压力；PAZ-平衡阀差动控制活塞杆腔压力；AAS-平衡阀差动控制活塞塞腔面积；AAZ-平衡阀差动控制活塞杆腔面积；mx-控制阀芯质量；Bx-控制阀芯粘性阻尼系数；Kx-控制腔⑨弹簧刚度；K-负载弹簧刚度；AG-执行机构有杆腔作用面积；AH-执行机构无杆腔作用面积；FL-负载力；ρ-油液密度；M-活塞及负载折算到活塞上的总质量；Bz-活塞及负载粘性阻尼系数；W-主阀芯节流口面积增益；P2-执行机构出口侧压力；P0-回油压力；Ee1-V1内油液等效体积弹性模量；Cd-流量系数；Qc-执行器出口侧流量；QP-执行器进口侧流量；V1-换向阀出口A至执行机构有杆腔和平衡阀控制活塞处形成的动态密闭容腔总容积。

根据以上建立的数学模型，当系统处于某一稳态，执行机构匀速下降时，因为执行机构的运动粘性阻尼很小，可忽略不计，并视负载为惯性负载且回油压力P0为零。等式（1）和（2）可表示为：

（5）

（6）

其中Ad表示平衡阀差动控制活塞等效作用面积。

联立公式（3）、（5）和（6），可得：

（7）

由公式（7）可知，当系统处于某一稳态，执行机构的出口流量QC由P1决定。根据公式（4），P1在△T时间内的变化量由△T时间内进入动态容腔V1的油液体积和活塞运动所造成的动态容腔V1的容积增量两者之差决定。系统处于稳态时，进入动态容腔V1的油液体积和活塞运动所造成的动态容腔V1的容积增量两者相等，P1保持不变。当Qp突然增大，因为活塞反应存在滞后，仍保持原运动速度，则稳态被打破，导致P1增大，P1增大使出口流量QC也跟随变化，系统进入新的稳态下运动，新稳态下执行机构的运动速度因为进口流量QP的增大比前一个稳态时要大，反之亦然。

若负载为弹性负载，则执行机构出口流量为：

（8）

当系统处于某一稳态，出口流量QC与惯性负载系统相比除与P1相关，还受到负载刚度K和负载位置Z的影响，出口侧流量不完全取决于进口侧流量Qp。因此，FD型平衡阀在弹性负载系统中的控制性能不如惯性负载系统。

从阀环节来看，在FD型平衡阀主阀芯打开的过程中，负载力不对平衡阀的控制产生影响，阀的开口仅由控制压力和弹簧刚度来决定，这是FD型平衡阀区别于其他一些平衡阀的一个特点。

3 FD型平衡阀应用中一些问题的探讨

FD型平衡阀的特点决定了它应用的广泛性，在其应用中存在一些需要注意的问题，下面就这些问题进行一些探讨。

FD型平衡阀的安装位置。FD型平衡阀安装在有负载荷需要平衡的回路中，当系统中存在软管连接时，平衡阀尽可能地放在执行机构与软管之间，在软管爆裂时保证系统的安全性。另外，一些对位置精度有要求的系统，如冷连轧机的上卷小车升降系统，由于系统中软管长度长且负载压力大，负载压力可能造成软管形变进而影响执行机构的位置精度。当平衡阀紧靠近执行机构安装可以消除这种影响。endprint

单向节流阀和平衡阀共用的系统。FD型平衡阀的主要功能是防止负载荷引起的执行机构的“失控”，在一些要求执行机构速度可调的系统中，有可能出现单向节流阀与平衡阀共存的情况，单向节流阀位于换向阀与平衡阀之间，这种情况要注意单向节流阀的安装方向。在对系统调速有要求的系统中，一般采用进口节流的方式来进行速度控制，如图3-（A）所示，进入液压缸有杆腔的流量由节流阀调节控制。若采用如图3-（B）所示出口节流的方式，则在无杆腔与换向阀之间出现平衡阀和节流阀两次节流，两者功能重叠，单向节流阀在平衡阀A口建立起来与通过流量和节流阀开口面积相关的压力，影响平衡阀的控制性能。

有机械强制同步的两缸或多缸系统，不能每一个油缸分别使用单独的FD型平衡阀来进行控制，如图4（A）所示；平衡阀应安装在公共油路上，在每缸出口处可以设置液控单向阀来提高系统的可靠性，如图4（B）所示。由分析可知，平衡阀节流口开度的大小是由控制压力的大小决定的，因此，控制压力和平衡阀节流口前后压差决定了从油缸排出的流量。当采用图4（A）的连接方式时，由于管路布置和其他方面的差异，很难保证在每个平衡阀上都保持相同的阀口开度和压差，导致两缸的出口流量不同，这与机械强制同步两者之间产生矛盾，产生“别劲”的现象，对设备造成破坏。

与液控单向阀组合使用。在一些场合，可能出现液控单向阀与平衡阀共存的回路，在元件选型时要注意负载、液控单向阀与平衡阀三者之间的匹配，否则可能会出现平衡阀失效、下降时执行机构爬行的现象。

如图4（B）所示，在初始状态，无杆腔内的压力为负载压力PL，打开液控单向阀所需的压力为：

P1>PL*？追 （9）

其中，Ψ为液控单向阀的负载压力作用面积与控制油作用面积的比值。如果负载压力较大或者Ψ较小，则液控单向阀所需的开启压力P1会上升，而FD型平衡阀的初始开启压力一般为20bar，全部开启时压力为50-60bar。当P1大于一定数值时，当液控单向阀开启时平衡阀已经全部或部分打开，失去其调节作用，平衡阀可能失效。液压缸也可能会出现爬行下降的现象。因此，选型时要核算负载、液压锁与平衡阀三者之间的关系。

4 结束语

文章通过建立FD型平衡阀的数学模型说明了其进口流量决定出口流量的控制特性及特点，并结合实践经验对FD型平衡阀的安装位置及其与常用控制阀组合使用时可能出现的问题进行了探讨，对FD型平衡阀的工程应用具有一定的理论和实用价值。

参考文献

[1]冯国光.FD平衡阀在变载机构中的应用[J].上海冶金设计，1999（1）：29-30.

[2]张海平.螺纹插装阀介绍之二-平衡阀[J].流体传动与控制，2006（5）：37-38.

[3]李肇震，曹苏民，林建亚.平衡阀动态性能研究及改进措施[J].浙江大学学报，1988：162-163.endprint