插装式平衡阀先导压力复位率提升设计与测试方法
作者 | 张帅帅，杨海峰，孙宝军，侯云，李志鹏，田捍卫，陈家恒，商映举
摘要：平衡阀作为液压回路中的重要元件，可有效防止重物负载超速下降。复位率作为平衡阀的一项重要指标，决定了超载工况紧急制动的及时性，当复位率较低时，重物负载失速坠落会造成重大财产损失，严重时会造成人员伤亡。为了解决其插装式平衡阀复位率普遍较低的问题，本文以一款平衡阀为研究对象，以提升复位率为目标，对主弹簧参数、阀芯密封面加工质量、动密封O形圈参数等进行了优化设计，并进行了试验验证。试验结果表明，优化后复位率提升22.35%，本研究为复位率的提升提供了一个有效方法。
关键词： 插装式；平衡阀；复位率；超越工况
1
概述
平衡阀为系统的安全性、可靠性和稳定性提供了有力保障，特别是在确保高惯量或高价值负载以及系统操作设备与人员安全方面发挥着不可替代的作用。在起重机、掘进机等民用设备，以及发射塔、深海潜航器和声纳拖曳系统等军用装备中，平衡阀同样具有重要作用。
国内外学者针对平衡阀的各种特性展开了充分研究，其中国内学者中张万年等针对平衡阀的流动特性展开了研究，通过试验验证了所设计的平衡阀的最大工作流量及当前阀芯开口曲线下的压力调节范围；武俊合建立了平衡阀阀口冲蚀CFD模型，通过实验分析阀口压差和颗粒密度对阀口冲蚀率的影响，揭示了平衡阀阀口冲蚀机制。许红范等设计了一种节能型液压平衡阀，使得传统平衡阀功率损失和低频振荡的问题得到了有效解决；石河村设计了一种新原理自动适应负载变化和流量变化的平衡阀，通过对该平衡阀的静态分析，表明该平衡阀的控制压力较小，对能量损耗有极大的降低；针对平衡阀流量特性不稳定、压力损失较大的问题，刘新疆对平衡阀阀芯PIN结构进行优化，并改进装配工艺，提高了液压平衡阀的性能。
平衡阀的复位率与动态特性密切相关，在动态特性方面，国内外学者也进行了一定的研究，Li等研究了摩擦和零件尺寸偏差对于复位率的影响；Vonderbank等提出几何优化与弹簧改进可以缩短复位时间；Yang等则通过提出先进的驱动策略来实现这一目标。复位率的高低决定着平衡阀的响应是否及时，确保阀芯能够在工作结束之后准确、及时地返回初始位置，即复位。复位率是衡量平衡阀性能的核心指标之一，其定义为阀关闭压力与开启压力之比，对收放过程中的制动能力具有决定性作用。若复位不及时或不充分，可能导致系统不稳定、设备损坏，甚至在高价值科学与军事任务中造成严重损失。然而，国内外学者对于复位率的研究还不够深入。因此，本文针对平衡阀的复位率，从主弹簧优化设计、主阀芯和单向阀芯密封面质量、动密封O形圈优化设计三方面进行研究，并进行了试验验证，旨在提高某型号插装式平衡阀的复位率指标，为同类型平衡阀的复位率优化提供一定的参考。
2
平衡阀先导复位率测试方法
以某型号插装式平衡阀作为研究对象，本文提出了一种更加贴近工况的平衡阀先导复位率的测试方法。以平衡阀负载口-1口和先导口-3口作为压力施加口，1口为流量入口，2口为出口，平衡阀外形如图1所示。根据图2的结构原理搭建了试验系统。
图1 平衡阀P1和先导压力P3作用区域
图2 某型号插装式平衡阀结构示意图
给平衡阀1口通入一定压力后，压力作用在单向阀芯下端面，单向阀芯与主阀芯共同向前运动，随着单向阀芯达到最大行程，当单向阀芯受到螺杆阻挡运动到极限位置时，压力继续作用到单向阀芯与主阀芯密封线外端，主阀芯克服弹簧力继续向前运动，阀口逐渐打开，随着压力增大，阀口完全打开。或者通过给3口施加压力，利用先导压力作用面（是负载压力作用面的3倍），使阀口达到更大的开度。平衡阀的复位则是缓慢降低3口压力，使弹簧力大于1口压力、3口压力以及摩擦力之和，阀口开度慢慢减小，最终完全关闭。上述即为平衡阀开启与复位的过程与受力差异。
先导复位率是指在固定弹簧压缩量条件下，当1口通入恒定压力P1时，阀口复位所需的先导压力与阀口打开时的先导压力之比。
基于上述平衡阀开启与复位过程以及先导复位率的定义，本文对复位率的试验方法为：首先，将平衡阀螺杆调节至全松状态（0圈），此时主弹簧压缩量即初始弹簧力最小；将1口分别通入不同的压力，记为P1，而后给3口缓慢通压，直至平衡阀打开，观察2口，油液从偶有渗出到流出量大于样本规定的最大泄漏量，该状态视为平衡阀刚好被打开，此时记录3口压力，记为P3开；最后，将3口缓慢降压，直至平衡阀关闭，观察2口，油液从一滴一滴流出到流出量小于产品最大泄漏量，此时记录3口压力，记为P3关。计算该工况下的复位率η。试验原理见图3，复位率计算公式为：
η=(kx-Ff)/(kx+Ff)=P3关×100%/P3开 （1）
式中 k——主弹簧刚度，N/mm
x——主弹簧压缩量，mm
Ff——密封圈摩擦力，N
P3开——使阀口打开的先导压力，MPa
P3关——使阀口关闭的先导压力，MPa
1.液压泵 2.溢流阀 3.压力表 4.被试阀 5.流量计 6.节流阀 7.换向阀 8.开关阀 9.温度计 10.过滤器
图3 复位率试验原理图
重复上述试验步骤，调节平衡阀螺杆，记录不同圈数下平衡阀的复位率。该方法不同于一些厂家仅测量1口通油的启闭压力，而是更加贴近平衡阀使用工况中先导口压力主导阀芯启闭的特性，更加具有可靠性和指导意义。
3
平衡阀复位率试验分析
根据试验原理图搭建的试验系统如图4所示。对某司所加工出来的第一批次的平衡阀零组件进行装配，装配一件（研08）进行复位率试验，此时螺杆调至全紧状态，弹簧压缩量最大，试验结果如表1所示。
图4 试验现场图
表1 优化前复位率试验结果
当圈数一定时，若继续升高1口压力，则平衡阀打开后无法复位，此时复位率为0；若继续减小圈数，1口通入压力后，平衡阀直接打开。通过分析表1数据，发现现阶段的产品存在以下问题：
（1）在2.75圈以下，1口施加的压力远大于弹簧力，从而导致平衡阀直接打开，或者在圈数一定时，继续升高压力平衡阀直接打开，这是由于主弹簧的弹簧力不足，刚度低导致的。
（2）本次试验以出口流量为0.6 mL/min时视为阀门关闭，该判定方法可能与平衡阀阀芯实际开度状态有出入，但在试验过程中，若想观测到出口完全没有流量，则需更小的3口关闭压力，此时复位率更低，所以表1的复位率结果不准确。
（3）在试验过程中发现，在出口流量为1.5 mL/min时，继续降低3口压力，此时阀口已经关闭，但2口仍有泄漏，这是由于主阀芯和单向阀芯的密封面质量较差，粗糙度较高，油液从密封面位置泄漏出来，从而对平衡阀启闭状态产生误判。
（4）主阀芯和阀套之间的密封圈压缩量过大，在主阀芯开启时，密封圈产生了较大摩擦力阻碍开启，在复位过程中，密封圈产生了较大摩擦力阻止主阀芯的复位。
4
平衡阀复位率提升设计
根据试验结果，需要从以下三个方面进行平衡阀复位率的优化：优化主弹簧设计参数、优化硬密封处的粗糙度和优化动密封O形圈参数。
4.1 主弹簧设计参数优化
依据第1部分所提出的复位率计算公式可知，相对于摩擦力，弹簧力在公式的分子与分母中均占主要比例，且以正值形式出现，因此主弹簧力的大小与复位率呈显著的正相关关系。影响弹簧力的关键因素包括弹簧刚度和弹簧压缩量。
当主弹簧刚度偏低时，在较小调节圈数（即较小预压缩量）条件下，其弹簧力相对摩擦力不足，导致阀芯在复位过程中只能克服较小的液压力，从而出现复位不完全或响应滞后的现象。因此，通过计算主阀芯行程及不同压缩量对应的开启压力，确定主弹簧的最大压缩量，并在此基础上计算相应的弹簧力，从而合理选取主弹簧刚度参数。
除弹簧刚度外，弹簧压缩量本身亦对复位率产生直接影响。从结构与功能角度分析，弹簧压缩量x主要受螺杆调节圈数控制；但在实际装配中，阀芯、阀套及单向阀芯等与弹簧同轴的零件，其轴向尺寸公差亦会导致装配后弹簧与主阀芯之间的初始间隙θ发生变化，从而影响实际压缩量。实际压缩量可按公式（2）计算：
x=λ×n-θ （2）
其中 λ——调节杆螺距，mm
n——调节圈数
θ——轴向尺寸链偏差产生的初始间隙，mm
为了验证上述分析的准确性，本文通过尺寸链计算得到主阀芯的行程为0.37 mm，最终确定主弹簧的预压缩力为240±5 N，最大阀口时的弹簧力为695±15 N，相较于优化前弹簧刚度增加43.7%；同时，增加了主弹簧的总长，以缩小轴向尺寸链偏差产生的初始间隙。为了延长主弹簧的寿命，对主弹簧进行发黑处理和喷丸处理。最终加工出的主弹簧如图5所示。
图5 主弹簧实物图
4.2 密封面粗糙度优化
对于现加工出的主阀芯与单向阀芯，在30倍显微镜下观察，发现密封面处有明显环形纹路，从而导致在主阀芯复位后，总有油液流出，无法判断平衡阀关闭时刻与关闭压力。
为了降低密封面的粗糙度，对主阀芯和单向阀芯进行对研，对研工艺如下：
（1）使用W7的研磨膏在单向阀芯密封面位置均匀涂抹一圈，随后将主阀芯和单向阀芯进行装配，手动匀速旋转单向阀芯，至单向阀芯密封面上出现明显的磨砂态密封带。
（2）擦去研磨膏，在密封带位置涂抹新的W7研磨膏，继续匀速旋转单向阀芯。
（3）多次对研后，在30倍显微镜下观察单向阀芯密封带呈现均匀一致的磨砂态，且密封带上不允许存在刀纹、贯穿缺陷，如图6所示。
（4）在30倍显微镜下观察主阀芯棱边处密封带。发现其均匀一致，如图7所示。
图6 单向阀芯密封带
图7 主阀芯密封带
4.3 动密封O形圈参数优化
在主阀芯复位过程中，阀套内孔处装配的O形圈起着动密封的作用，给主阀芯施加一定的阻力阻止主阀芯复位，O形圈的压缩量越大，主阀芯受到的摩擦力越大，因此需要通过降低O形圈的压缩量来减小摩擦力，从而使主阀芯更好地复位。此外，O形圈的压缩量越小，其密封效果越差，泄漏的风险就会增加，因此需要在保证密封性的前提下，减小O形圈的压缩量。
优化前的动密封O形圈规格为11.6（内径）×1.8，现选用小线径的O形圈，采用11.8（内径）×1.6的O形圈，如图8所示，O形圈的压缩量降低约43.74%。同时，对该规格的O形圈进行密封性试验，试验结果表明该规格的O形圈可以实现密封。
图8 O形圈实物图
5
试验验证
通过对主弹簧设计参数、密封面粗糙度、O形圈参数进行优化，重新装配平衡阀，在装配过程中严格按照工艺执行。装配完成后进行平衡阀复位试验。在此试验中，将2口泄漏量不大于0.3 mL/min的状态认定为平衡阀关闭。平衡阀允许的内泄漏量为0.3 mL/min，故认定平衡阀关闭。试验结果如图9所示。
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)1.5圈 (b)2圈 (c)3圈 (d)3.5圈
图9 优化后复位率试验结果
根据试验结果可知，优化后的平衡阀复位率最大可达到84.85%，较优化前增长22.35%；且由于弹簧刚度的增加，在1.5圈到3.5圈的调节圈数下，主阀芯均可实现复位。
综上所述，通过对主弹簧参数、密封面加工质量、O形圈参数的优化，解决了前期复位率试验中出现的四种问题，优化效果显著，为同类型平衡阀产品的复位率提升提供了参考。
6
结语
本文围绕某型号插装式平衡阀复位率偏低的问题展开研究，首先建立了贴近实际工况的复位率测试方法，并对初始样阀进行了试验分析。结果表明，产品在弹簧刚度不足、密封面粗糙度较高及动密封O形圈摩擦力过大的情况下，普遍存在复位率偏低甚至无法复位的问题。针对这些问题，本文从三个方面提出了优化方案：其一，通过重新设计主弹簧参数，提高了弹簧刚度与预紧力，确保复位过程中具备足够的恢复力；其二，采用主阀芯与单向阀芯的密封面对研工艺，显著改善了密封面的粗糙度和密封性能，避免了阀口关闭状态下的误判；其三，优化动密封O形圈规格，使其在保证密封性的同时显著降低了摩擦力，从而减小了对阀芯复位过程的阻碍。
经过优化后的样阀在试验验证中表现出了显著效果，复位率最大可达84.85%，较优化前提升22.35%，且在1.5至3.5圈的调节范围内均能实现可靠复位。这表明本文所提出的改进措施不仅有效提升了产品性能，也验证了复位率受弹簧力、摩擦力与密封质量综合作用的机理。
综上所述，本文提出的优化方法能够有效提高平衡阀的复位性能，为同类型平衡阀产品的设计与改进提供了可行的技术路径和实践参考，对提升液压系统的安全性、可靠性与稳定性具有重要的工程意义。
*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第1期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。