CN86104940A - 二次提升防止下滑液压系统装置 - Google Patents

Abstract

二次提升防止重物下滑液压系统装置，属于起升或卷扬机构的液压系统，由“联动先导式压力补偿液动阀”与“负载压力传感器”组成。前者包括联动阀与液动阀两部分，联动阀由换向阀联动，向液动阀一端引入系统进油压力。后者将钢绳拉力转换成与吊重成比例的补偿液压力，引入液动阀另一端，保证重物上升松闸时的系统压力足以防止重物下滑。本装置用来防止悬吊于空中的重物再次提升时产生下滑的现象。

Description

本发明属于起升或卷扬机构液压系统。

液压起升或卷扬机构的二次提升下滑现象，就是悬吊于空中的重物再次微动提升时，出现反方向动作-向下滑的现象。重载时，这种现象尤为严重。对于要求微动性能好的起升或卷扬机构，例如，各种安装用途的起重机，特别是精密贵重设备，高压容器，导弹等军工产品，及其他易燃、易爆、易损品的安装和吊运用的起重机，这种失去控制的下滑现象是极为有害的，不仅影响机器的操纵性能，降低作业效率，而且还有可能造成严重的事故和经济损失。

目前国内外采用的起升或卷扬机构液压系统虽有多种不同型式，但是都没有二次提升时防止重物下滑的功能，这是多年来，一直没有解决的大问题。

图1为液压汽车起重机常用的一种典型起升机构液压系统。系统中各主要液压件的作用如下：

换向阀1有换向和节流调速双重作用。平衡阀2由单向阀和远控顺序阀组成，在起升重物工况下，压力油可通过单向阀直接进入液压马达5的A口，而在下降重物工况，压力油进入马达5的B口，A口回油需要通过顺序阀返回油箱。顺序阀由引自液压马达B口进油路的控制油压控制，当进油压力低于其开启压力时，顺序阀关闭，液压马达回油无法通过，系统不能工作。当进油压力大于顺序阀的开启压力时，阀口打开一个缝隙，缝隙大小与吊重和进油流量有关，马达5的A口回油通过顺序阀的节流缝返回油箱，产生节流阻力，形成液压马达的回油背压，阻止重物带动马达5加速旋转，从而保持了重物匀速下降，速度大小仅由进油流量决定。制动器4是常闭式，靠弹簧上闸，液压力松闸。停车时，用来闸紧起升机构制动轮，保证重物长时间悬吊于空中某位置不动。该制动器液压缸的松闸控制压力直接引自系统的进油路，因此，不论重物起升还是下降，都能首先松开制动器。为了避免重物下降以及空钩或轻载起升过程中浪费功率，制动器的松闸压力是很低的，例如额定工作压力为210kg/cm²的系统，制动器松闸压力为30kg/cm²左右。单向节流阀3是为避免机构起升过猛，延缓制动器松闸时间用的，但因制动器液压缸是靠压力控制，活塞杆行程很小，因此松闸时控制管路中的液体流速很慢，事实上起不到这个作用，目前已有一些起升机构液压系统取消了这个组成部分。缓冲阀6用来限制下降制动过程中由重物及机构惯性产生的液压马达排油尖峰压力。单向阀7是为液压马达补油的，防止下降制动时，由于停止供油而在马达B腔产生空穴。

图示状态，换向阀处于中位，系统卸荷，制动器闸紧制动轮，重物悬吊于空中不动。当换向阀芯向右移动，即拨到下降重物位置时，系统停止卸荷，进油压力P升高，松开制动器、平衡阀开启。压力油从液压马达5的B口进入，又由A口排出，经平衡阀中的顺序阀和换向阀返回油箱，液压马达向下降重物方向旋转。当换向阀芯向左移动，即拨到起升重物位置，系统亦停止卸荷，压力上升，打开制动器，压力油经平衡阀中的单向阀进入液压马达的A口，由B口排出，经换向阀返回油箱，液压马达向起重物方向旋转。

以上是图1系统的一般工作原理。二次提升重物下滑问题出现在悬吊于空中的重物再次以微动速度向上提升的操作过程中。为了以微动速度提升重物，换向阀芯必须从中位向起升重物方向（向左）缓慢拨动，否则将会起动过猛，破坏微动性能。随着阀芯的缓慢移动，逐渐减小换向阀中位的回油通道面积，增加回油节流阻力，系统进油压力随之逐渐升高。在换向阀中位回油通道完全封闭之前，有一段过渡过程，系统进油会同时与液压马达的进油口A及换向阀中位回油口连通。这是换向阀节流调速作用不可缺少的过程。在这个过程中，系统进油压力首先升到制动器的松闸压力，打开制动器，然后液压马达才能起动。在机构负载较大时，制动器的松闸压力远小于重物带动液压马达逆转（变成泵工况）产生的排油压力，即系统进油压力将制动器松开后，不仅不能驱动液压马达向起升重物方向旋转，也不能阻止重物带动液压马达逆转。虽然平衡阀闭锁，能防止液压马达排油在系统中倒流，但由于液压马达不可避免的内泄漏，重物仍然能带动液压马达逆转，排油经马达内部间隙流到泄油路中，重物自行下降。有时液压马达及与其排油口连通的其它部位也有泄漏，就更加快了液压马达的逆转速度。如不及时移动换向阀芯，减小中位回油通道面积，提高系流进油压力，重物会不停地滑落下去。如果系统中使用缺乏自吸能力的柱塞式液压马达，逆转一周后，轮子变成自由轮，完全失去制动能力，重物会迅速降落下去。悬吊于空中的重物再次微动提升动作就是在这样一个过渡过程中实现的，为了微动，换向阀阀芯必须缓慢移动，从制动器松闸到重物能够上升之间，阀芯还有相当一段行程，因此重载时下滑现象是难以避免的，这是现有技术的缺陷。

本发明的目的是创造一种装置，装到现行的起升或卷扬机构液压系统中去，彻底消除悬吊于空中的重物再次提升时产生的失控下滑现象，同时又不影响现有系统的其他性能及组成。

本发明的详细内容如下：

防止二次提升时重物下滑的基本原理是控制制动器的松闸压力，使其随吊重变化，始终保持松闸时已建立起来的系统进油压力P大于防止重物带动液压马达逆转所需压力P₁，小于或者等于向上起动这个重物所需之压力P₂。即P₁＜P＜P₂;

本二次提升防止下滑装置的原理图及其在系统中的位置示于图2。该装置主要由“联动先导式压力补偿液动阀”8和“负载压力传感口”9两部分组成。

“联动先导式压力补偿液动阀”由联动先导阀8′和压力补偿液动阀8″（以下简称联动阀和液动阀）组成。联动阀是导阀，由它向液动阀芯的一端引入系统进油压力，控制液动阀的动作。而联动阀阀芯的动作则由换向阀1的阀芯动作控制：当换向阀阀芯向起升重物方向（图中向左）移动时，能带动联动阀的阀芯同步左移，而当换向阀阀芯向降落重物方向（向右）移动时，与联动阀芯无关。当换向阀阀芯处于中位时，联动阀阀芯正好位于其右极限位置。

负载压力传感器是一套带杠杆机构的液压缸滑轮装置，起升或卷扬机构的吊重钢丝绳绕过该装置的滑轮，通过杠杆机构对液压缸产生压力，该压力的大小与吊重大小成比例关系，因而液压缸内产生的油压亦与吊重大小成一定比例关系，间接反映出吊重的大小。液压缸内的油压作为补偿压力，引入液动阀的油口C。

图示状态，换向阀的阀芯处于中位，联动阀阀芯在其左端弹簧予紧力作用下，位于其右极限位置。液动阀阀芯右端G腔径F→H→O与系统回油路连通，该阀芯在其左端引入的传感器补偿压力及弹簧力作用下亦位于右极限位置。在这种状态下，制动器液压缸与系统进油路连通，路线是：P→J→S→T→Z。当换向阀3的阀芯向右移动时，对联动阀不产生任何作用，因此联动阀和液动阀的阀芯仍处于图示位置，制动器液压缸仍然与系统进油路保持连通关系。换向阀的上述两种位置对应着系统的中位卸荷与重物下降两种状态。在这两种状态下，“联动先导式压力补偿液动阀”只起制动器液压缸与系统进油路之间的连通作用，因此不影响起升或卷扬机构的制动和下降重物的性能。

当换向阀1的阀芯由中位向左移动，即向起升重物的方向移动时，能推动联动阀的阀芯同步左移，这是系统由中位卸荷状态向起升重物的工作状态转换的过程。在这个过程中，换向阀的阀芯首先要移动一段大约3毫米的封闭行程，才能使液压马达的进油路与系统进油路连通。这段行程就是中位时换向阀阀芯上的台肩与阀体上的配合面的重叠密封长度。在这段封闭行程结束之前，联动阀芯已将J和H口封闭，切断制动器液压缸与系统进油路的连通关系以及液动阀右端G腔与系统回油路的连通关系。但因换向阀在封闭行程中基本上不增加回油节流阻力，所以直到通路J、H被封闭，制动器液压缸中仍然保持着系统卸荷状态的进油压力，处于制动状态不变。G腔中保持系统回油压力不变，所以液动阀芯仍处于右极限位置不动。当换向阀阀芯结束封闭行程时，联动阀的阀芯已将阀体上的K口打开，但J和H口仍封闭，于是液动阀的右端G腔和M口均经联动阀的F、K口与系统进油路连通，G腔及液动阀芯右沉割槽中的压力都等于系统的进油压力。G腔油压对液动阀的阀芯产生向左的液压推力。随着换向阀阀芯的继续移动，其中位回油通道面积不断减小，节流阻力不断增加，系统进油压力亦随之相应升高。当系统进油压力升到能使液动阀G腔油压对液动阀阀芯作用的向左的液压推力略大于该阀芯左端压力传感器压力及弹簧产生的向右的总推力时，液动阀芯压缩弹簧向左移动，首先封闭T口，接着打开I口，制动器液压缸再次经K→F→M→I→Z与系统进油路连通。液动阀阀芯左端弹簧只起阀芯复位作用，刚度和予紧力都很小，所以该阀芯左移所需的G腔进油压力大小基本上只由负载压力传感器的补偿油压力决定。根据吊重钢丝绳受到的拉力，适当确定负载压力传感器的液压缸尺寸和杠杆比，可使该液压缸中的液压力始终大于阻止吊重带动液压马达逆转所需的压力。这样就保证了液动阀被向左推移，使制动器液压缸再次与系统进油路连通时已建立起来的进油压力，完全能防止吊重带动液压马达逆转，从而彻底消除了悬吊于空中的重物再次微动提升时，产生下滑的可能性，同时又不会因进油压力过高而起动过猛。

防止吊重带动液压马达逆转所需的进油压力是P₁;

P₁≥（2π·W·r·η）/（a·i·g）+P₀

液压马达负载起动所需的进油压力是P₂;

P₂≥（2π·W·r·η）/（a·i·q·η）+P₀

设计负载压力传感器时，要保证其液压缸中产生的补偿压力P_c满足下列条件：

（2π·W·r·η）/（a·i·g）+P_o≤P_c≤（2πwr）/（a·i·q·η）+P_o

以上各式中：w-吊重;r-起升机构或卷扬机构的卷筒工作半径;a-吊钩滑轮组倍率;i-减速器传动比;q-液压马达的理论排量;η＝η₁η₂·η₃;η₁-吊钩滑轮组机械传动效率;η₂-减速器机械传动效率;η₃-液压马达的起动机械效率;P₀-系统回油背压。

本二次提升防止下滑装置的使用范围和性能不受换向阀机能的影响，可以是“M”型，“H”型“Y”型或其他任何型式。因为不论何种机能的换向阀，在中位卸荷状态，阀芯台肩与相应工作油口处的阀体配合面都有一段重叠密封长度，在阀芯由中位向提升重物方向移动时，都首先要移动这段封闭行程，才能使液压马达进油口与系统进油路连通，然后，逐渐减小中位回油通道面积，增加节流阻力，使系统压力逐渐升到液压马达的起动压力。

本二次提升防止下滑装置的优点是

（1）从根本上彻底消除了二次提升时重物下滑的可能性。

（2）不改变现有系统其他部分的组成，便于应用。

（3）不影响换向阀的节流调速功能及现有系统的其他性能，也不增加功率损失。

（4）无需专门操纵，因此不改变现有系统的操纵方式，减轻了操作人员负担。

（5）体积小，重量轻，工作可靠。

（6）适合于使用任何机能换向阀的系统，应用范围广泛。

实现本发明的最佳实施方案可为：

1、联动阀与换向阀装配成为一体

如图3所示，将“联动先导式压力补偿液动阀”中的联动阀置于换向阀尾部阀体7内，与换向阀装配成为一体。而液动阀是一个单独的小阀，置于换向阀阀体尾部联动阀的上方。两者用螺钉连接（图中未表示）。

图中换向阀上的“P”口与系统进油路连通，“O”口与回油路连通，“A”、“B”口是两个工作油口，分别与图2中液压马达的A、B口对应。液动阀的C口连通负载压力传感器，Z口连通制动器液压缸。

图示状态，换向阀的阀芯1处于中位，系统卸荷。联动阀阀芯2在弹簧3的作用下位于其右端极限位置。而液动阀的阀芯4右端G腔与系统回油路连通，路线是G→L→M→F→H→R→V→“O”，该阀芯在左端引入的压力传感器的补偿压力和弹簧5的作用下，亦位于右极限位置。在此状态下，系统进油路与制动器液压缸连通，路线是：“P”→N→D→J→S→T→E→Z。

当换向阀阀芯1由中位向右移动时，系统由卸荷状转入下降重物的工作状态。阀芯1右移不引起联动阀芯2的位置变化，因此制动器液压缸仍与系统进油路连通。

上述两种状态下，“联动先导式压力补偿液动阀”只起到制动器液压缸与系统进油路之间的连通作用，无异于制动器油缸直接与系统进油路连接。

当换向阀阀芯1由中位向左移动时，系统由卸荷状态转入起升重物的工作状态。在这个转换过程中，换向阀阀芯1带动联动阀阀芯2同步左移。在换向阀芯1移过封闭行程（阀芯1的圆柱台肩Y与阀体配合面的重叠长度）之前，联动阀阀体上的环槽J、H即被阀芯2封闭，因而制动器液压缸与系统进油路的连通关系以及液动阀芯4右端腔G与系统回油路的连通关系均被切断。但制动器液压缸与G腔中的压力保持不变，因此制动器仍处于制动状态，阀芯4也停留在右极限位置不动。即“A”口与系统进油路连通前，制动器始终是制动状态。换向阀阀芯1移过封闭行程后，联动阀体上的环槽K和F由阀芯2上的右沉割槽连通，J和H仍然封闭。这时液动阀的右端腔G和环槽X均再次与系统进油路连通，其路线是：“P”→N→K→F→M

G腔与系统进油路刚开始接通时，换向阀中位回油节流阻力还很小，因此系统进油压力也很小。随着阀芯1的继续左移，换向阀中位节流阻力逐渐增加，系统进油压力随之逐渐升高。G腔中压力与系统进油压力是相同的，它使液动阀芯4受到向左的液压推力，当这个推力略大于阀芯左端受到的压力传感器油压力及弹簧5的予紧力产生的向右的总推力时，弹簧5被压缩，液动阀芯向左移动，其右沉割槽将阀体上的环形通道I和X连通，于是压力油经通道E。油口Z进入制动器液压缸。弹簧5仅起阀芯4复位作用，刚度和予紧力都很小，因此液动阀芯能否被向左推移并使制动器液压缸再次与系统进油路连通，基本上只取决于负载压力传感器的补偿压力。阀芯4两端面积相同，这就保证了制动器松开时，系统进油压力足以防止重物带动液压马达逆转，又不超过液压马达负载起动需要的压力。

本装置中的负载压力传感器是一个独立部件，可安装于任何便于起重钢绳穿越其滑轮的位置。

这种方式有效地利用了普通换向阀的尾部空间，结构紧凑，重量轻，容易在现有的普通换向阀基础上实现。

2、“联动先导式压力补偿液动阀”可作为一个独立的控制阀，置于换向阀阀芯操纵杆前方。

如图4所示，“联动先导式压力补偿液动阀”由联动先导阀Ⅴ-Ⅰ和压力补偿液动阀Ⅴ-Ⅱ（以下简称联动阀和液动阀）两部分组成，二者由螺栓连接成一整体（图中未表示）该阀置于系统中换向阀操纵杆2的前方，并使联动阀阀芯1与换向阀芯2的中心线在同一条直线上。当换向阀阀芯处于中位时，联动阀阀芯在弹簧3的作用下位于其右极限位置，其右伸出端球面头部正好与换向阀操纵杆左端接触。

图中P口与系统进油路连通，O与系统回油路连通，C口与负载压力传感器连通，而Z口与制动器液压缸连通。

图示状态是换向阀阀芯处于中位的情形。液动阀芯4右端腔G与系统回油路连通，路线是G→L→M→F→H→O，因而阀芯4也在左端引入的压力传感器补偿油压和弹簧5的作用下位于右极限位置。制动器液压缸与系统进油路连通，路线是P→J→S→T→Z。当换向阀的阀芯向右移动时，系统由卸荷状态转入下降重物的工作状态，联动阀芯仍处于图示位置，因此制动器液压缸仍然与系统进油路连通。

在上述两种状态下，“联动先导式压力补偿液动阀”不起任何控制作用，仅仅把制动器液压缸与系统进油路连通起来，对系统来说，无异于制动器液压缸与系统进油路直接连通。

当换向阀芯由中位向左移动时，系统由卸荷状态转入起升重物的工作状态，换向阀操纵杆2推动联动阀芯1同步左移。在这个转换过程中。换向阀首先要移过一个封闭行程，才能使液压马达的进回油口开始与系统的进油和回油路连通。在这个封闭行程结束之前，换向阀操纵杆2已推动联动阀阀芯1将H和J槽封闭，在封闭过程中，制动器液压缸和G腔都保持封闭之前的压力，因此制动器仍处于制动状态。液动阀芯4也处于图示的右极限位置不动。当换向阀芯移过封闭行程后，环槽K与F开始由联动阀芯1的右沉割槽连通，而H和J槽仍然封闭，于是G腔和环槽X均与系统进油连通，其路线是：P→K→F→M 液动阀芯4右端受到进油压力的作用，推力大小与系统进油压力成正比。在G腔与系统进油路刚刚开始连通时，换向阀是刚刚移过封闭行程，中位回油通道面积还很大，节流阻力很小，因此系统进油压力很低。随着换向阀操纵杆带动其阀芯继续左移，中位回油通道面积不断减小，节流阻力不断增加，系统进油压力也自然逐渐升高。而G腔压力与系统进油压力是相同的，所以当系统进油压力升到对阀芯4产生的推力略大于阀芯左端压力传感器补偿油压及弹簧5对阀芯反方向总推力时，液动阀芯压缩弹簧5向左移动，通过该阀芯右沉割槽将环槽I与X连通，于是制动器液压缸再次与系统进油路连通。弹簧5只对阀芯4起复位作用，因此予紧力和刚度都很小，所以推动液动阀芯4左移并使制动器液压缸与系统进油路连通所需要的进油压力基本上只由负载压力传感器的补偿压力决定。而压力传感器的补偿压力与吊重成比例，并且略大于防止相应重物带动液压马达反转所需要的压力，阀芯4两端面积又相等，因此能推动液动阀阀芯4左移时的系统压力比传感器压力还略大一点，这就达到了防止二次提升时重物下滑的现象，也不产生向上起动过猛的问题。

负载压力传感器可以置于任何便于吊重钢丝绳穿越传感器滑轮的位置。

这种方式的特点是，“联动先导式压力补偿液动阀”是一个独立元件，可以方便地用到现行系统中去，不改变现行系统任何元件的构造和要求，也不要求改变现行系统的原理。对正在使用的起升或卷扬机构或换向阀不易改变的新产品都是方便的，适于使用和生产部门采用。

附图说明

图1：1-换向阀;2-平衡阀;3-单向阻尼阀;4-制动器;5-液压马达;6-缓冲阀;7-单向阀。

图2：1-换向阀;2-平衡阀;4-制动器;5-液压马达;6-缓冲阀;7-单向阀;8-联动先导式压力补偿液动阀;8′-联动阀;8″-液动阀。

图3：1-换向阀阀芯;2-联动阀阀芯;3-弹簧;4-液动阀阀芯;5-弹簧;6-液动阀阀体;7-换向阀阀体;8-换向阀端盖;9-液动阀端盖。

图4：V-Ⅰ-联动阀;V-Ⅱ-液动阀;1-联动阀阀芯;2-换向阀操纵杆;3-弹簧;4-液动阀阀芯;5-弹簧。

Claims (3)

1、一种由换向阀1、平衡阀2、制动器4、液压马达5、缓冲阀6、单向阀7及管路所组成的起升或者卷扬机构液压系统装置，其特点是具有由联动先导阀8′和压力补偿液动阀8″组成的联动先导式压力补偿液动阀8和负载压力传感器9，来控制制动器松闸压力，使其随吊重变化，并始终保持松闸时建立起的系统进油压力P大于防止重物带动液压马达逆转所需压力P₁，小于或者等于向上起动这个重物所需压力P₂，即P₁＜P≤P₂。

2、如权力要求1所述的联动先导式压力补偿液动阀，其特征是联动先导阀8′可装在换向阀尾部的阀体之内，压力补偿液动阀装在换向阀阀体尾部联动阀的上方，两者用螺栓连接，并有通道连通。（图3）

3、如权利要求1所述的联动先导式压力补偿液动阀，其特征是它可为一个独立的控制阀（图4），由联动先导阀Ⅴ-Ⅰ和压力补偿液动阀Ⅴ-Ⅱ组成。两者由螺栓连接成一体，置于系统中换向阀操纵杆2的前方，联动阀阀芯1与换向阀阀芯2中心线位置在同一条直线上。

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