5.1液壓控制閥的功用與分類5.2液壓控制閥的特性分析5.3方向控制閥5.4壓力控制閥5.5流量控制閥5.6電液化例控制閥5.7二通插裝閥5.8電液數(shù)字控制閥習題與思考題第5章液壓控制閥5.1液壓控制閥的功用與分類液壓控制閥是液壓系統(tǒng)中控制油液方向、壓力和流量的元件。將這些元件經(jīng)過適當組合,便能對執(zhí)行元件的啟動、停止、方向、速度、動作順序和克服負載的能力等進行控制與調(diào)節(jié),從而使各類液壓機械都能按要求協(xié)調(diào)地進行工作。液壓控制閥(簡稱液壓閥或閥)品種繁多,除了不同品種、規(guī)格的通用閥外,還有許多專用閥和復合閥。就液壓閥的基本類型來說,可按以下幾種方式進行分類。

1.按功用分

液壓閥按功用可分為如下三類：

(1)方向控制閥：控制和改變液壓系統(tǒng)中液流方向的閥,如單向閥和換向閥等。

(2)壓力控制閥：控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體壓力的閥,如溢流閥、減壓閥、順序閥和壓力繼電器等。

(3)流量控制閥：控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體流量的閥,如節(jié)流閥、調(diào)速閥、溢流節(jié)流閥和分流集流閥等。這三種閥還可根據(jù)需要互相組合而構(gòu)成組合閥,如單向順序閥、單向節(jié)流閥等,使得結(jié)構(gòu)緊湊,連接簡單,并提高了效率。

2.按控制方式分

液壓閥按控制方式可分為如下三類：

(1)開關式或定值控制閥:是最常見的液壓閥,又稱普通液壓閥。該閥借助于手柄、凸輪、通斷型電磁鐵等方式,將閥芯位置或閥芯上的彈簧設定在某一工作狀態(tài),從而使液流的壓力、流量或流向保持某一定值。(2)電液比例式控制閥(簡稱比例控制閥):可以根據(jù)輸入信號的大小,成比例、連續(xù)地遠距離控制液壓系統(tǒng)中液體的壓力和流量的大小。該閥常采用比例電磁鐵將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為力或閥的機械位移量來進行控制,也可以采用其它形式的電氣輸入。比例控制閥是近年發(fā)展起來的一種新型的控制方式。

(3)電液伺服控制閥(簡稱伺服控制閥):是一種根據(jù)輸入信號及反饋量成比例地連續(xù)控制液壓系統(tǒng)中壓力和流量大小的閥,又稱隨動閥。伺服控制閥常用于液壓伺服控制系統(tǒng)。

3.按結(jié)構(gòu)形式分液壓閥一般是由閥體、閥芯、控制操縱部分等主要部件組成的,如圖5-1所示。根據(jù)閥芯的結(jié)構(gòu)形式,液壓閥又可分為如下三類:

(1)滑閥：如圖5-1(a)所示,閥芯為圓柱形。該閥通過閥芯在閥體內(nèi)孔中的滑動來改變液流通路開口的大小,以實現(xiàn)液流方向、壓力和流量的控制。圖5-1閥的結(jié)構(gòu)形式(a)滑閥；(b)錐閥；(c)球閥

(2)錐閥:如圖5-1(b)所示,閥芯為圓錐形。該閥利用錐形閥芯的位移來改變液流通路開口的大小,以實現(xiàn)液流方向、壓力及流量的控制。

(3)球閥：如圖5-1(c)所示,閥芯為球形。其工作過程與錐閥相似。4.按連接方式分液壓閥按連接方式可分為如下三類：

(1)管式連接：又稱螺紋連接,是將閥體上的螺紋孔直接與管接頭、管路相連(大型閥則用法蘭連接)。這種連接方式比較簡單,重量輕,在移動式設備和流量較小的液壓系統(tǒng)中應用較廣,但元件安裝比較分散,更換元件也比較麻煩。

(2)板式連接：在這種連接方式中,閥的各油口均布置在同一安裝面上,并用螺釘將閥固定在與閥有對應油口的連接板上,再用管接頭和管路將連接板與其它元件連接,孔間用O形密封圈密封。由于管路與連接板相聯(lián),閥僅用螺釘固定在連接板上,因此便于安裝與維修,操縱和調(diào)整也都比較方便,所以應用比較廣泛。

(3)集成式連接:液壓閥是液壓系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的元件,為了力求使結(jié)構(gòu)布置緊湊,管路布置簡化,因此采用了各種不同的集成連接形式將閥集中布置。①集成塊連接。集成塊為六面體,塊內(nèi)鉆有連通閥間的油路,標準的板式元件安裝在集成塊的側(cè)面,集成塊的上、下兩面為疊積面,中間用O形密封圈密封。將集成塊有機組合即成為完整的液壓系統(tǒng)。集成塊連接便于實現(xiàn)標準化、通用化和系列化,有利于生產(chǎn)與設計,是機床行業(yè)一種良好的連接方式。②疊加閥式連接。閥的上、下面為連接結(jié)合面,各油口分布在這兩個面上,通常為相同通徑而功用各異的各種板式閥串聯(lián)疊加。每個閥除其自身的功用外,還起油路通道的作用,無需管路連接。因此，疊加閥式連接結(jié)構(gòu)緊湊,損失很小,工程機械中應用較多。③插裝閥式連接。將閥套、閥芯按標準參數(shù)做成圓筒形專用件,然后將這些專用件插入不同的插裝塊預制孔中,用螺紋連接或蓋板固定,并通過塊內(nèi)通道把各插裝閥連通,插裝塊體起閥體和管路的作用。插裝閥式連接結(jié)構(gòu)緊湊,且具有一定的互換性,是適應液壓系統(tǒng)集成化而發(fā)展起來的一種新型連接形式。由于液壓控制閥在液壓元件中無論是在品種上還是在數(shù)量上都占有相當大的比重,因此閥類元件性能的好壞在很大程度上影響液壓設備的工作可靠性和優(yōu)越性,所以在使用與維修中必須給予高度的重視。目前,我國中低壓閥類元件的設計和生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)了系列化、標準化和通用化,閥類元件正在向著高壓化、小型化和集成化的新趨勢發(fā)展。5.2.1圓柱滑閥的特性分析

1.流量壓力特性滑閥的流量壓力特性是指流經(jīng)滑閥的流量與前、后壓差以及滑閥開口三者之間的關系。5.2液壓控制閥的特性分析圖5-2圓柱滑閥示意圖如圖5-2所示,設滑閥開口長度為x,閥芯與閥體內(nèi)孔之間的徑向間隙為Δ,閥芯直徑為d,閥孔前、后壓力差Δp=pi-po,則根據(jù)流體力學中流經(jīng)薄壁小孔的流量公式,得到流經(jīng)滑閥的流量q的表達式為(5-1)式中:A——滑閥閥口的通流面積,A=W;

W——滑閥開口寬度,又稱通流面積梯度。它表示滑閥閥口通流面積和隨滑閥位移的變化率,是滑閥最重要的參數(shù)。對于圓柱滑閥,W=πd；

Cq——流量系數(shù),與雷諾數(shù)Re有關。當Re>260時,滑閥的流量系數(shù)為常數(shù);如閥口是銳邊時,Cq=0.6~0.65;如閥口是圓邊或有很小倒角時,Cq=0.8~0.9。如果滑閥為理想滑閥(即Δ=0),則其通流面積A=πdx,因此公式(5-1)又可寫成(5-2)雷諾數(shù)表達式為(5-3)式中:v——油液流經(jīng)閥口的平均速度;

υ——油液的運動粘度;

Dh——滑閥閥口處的水力直徑,Dh=4(閥口面積/濕周長度)。公式(5-2)稱為圓柱滑閥的流量壓力特性方程,它表明:通過滑閥的流量q與滑閥開口x成正比,與閥口前、后壓力差的1/2次方成正比。

2.液流對滑閥的作用力

1)作用在滑閥上的液壓力在液壓系統(tǒng)中,重力引起的液體壓力差相對于工作壓力來說所占比重極小,因此可以忽略不計。在計算時認為同一液體容腔中各點的壓力相等。作用在容腔周圍固體壁面上的液壓力Fp為(5-4)當壁面為平面時,液壓力就等于壓力p和面積A的乘積,即Fp=pA(5-5)

2)作用在滑閥上的側(cè)向力對于滑閥來說,它的一個凸肩兩端的壓力通常是相等的,而閥體與閥芯之間又總是存在著一定的徑向間隙,于是在壓力差的作用下,油液將通過縫隙流動。假如滑閥的閥體與閥芯的幾何形狀都是精確的圓柱形并保持其同心度,在油液流經(jīng)配合間隙時,則縫隙內(nèi)的壓力總是按線性規(guī)律下降且沿閥芯圓周均布,因此滑閥的徑向液壓力是平衡的,如圖5-3(a)所示。如果閥芯的軸線相對于原來的位置平行地有一個偏移,此時縫隙內(nèi)的壓力仍然按線性規(guī)律分布,因此徑向液壓力還是平衡的,如圖5-3(b)所示。圖5-3圓柱形閥芯的徑向液壓力實際上,由于制造誤差和裝配誤差的存在,閥芯的幾何形狀和安裝位置都不可能完全準確,因此,閥芯將由于徑向不平衡液壓力而受到側(cè)向力的作用。圖5-4所示為閥芯具有錐度且與閥體有向上偏心時的側(cè)向力分布情況。(a)圖表示閥芯小端處于高壓一邊的情況,流體力學中稱此為“順錐”。由流體力學可知,閥芯上部和下部縫隙中的壓力都是按上凸拋物線規(guī)律分布的。

但上部的縫隙較小,兩端縫隙的壓力差值較大,曲線凸的較厲害;而下部的縫隙較大,曲線比較平緩。這樣,閥芯受到一個向下的徑向不平衡力,該力力圖使閥芯自動恢復中立位置而消除偏心,因此,閥芯最終仍將處于四周壓力平衡的良好狀態(tài),起到了自動定心的作用。顯然,“順錐”情況是有利的。(b)圖表示閥芯大端處于高壓一邊的情況,流體力學中稱此為“倒錐”。由流體力學可知,閥芯上部和下部縫隙中的壓力都是按下凹拋物線規(guī)律分布的。同理,上部的縫隙較小,曲線凹的較厲害;而下部的縫隙較大,曲線比較平緩。這樣，閥芯受到一個向上的徑向不平衡液壓力,如圖中帶陰影的部分,這個側(cè)向力一直將閥芯壓到靠住閥體為止,出現(xiàn)所謂的“液壓卡緊現(xiàn)象”。其側(cè)向力為(5-6)式中:d——滑閥的直徑;

L——滑閥的長度;

t——滑閥大、小端半徑之差;Δδ——滑閥偏心e=0時的大端徑向間隙;

p1、p2——滑閥兩端的壓力。圖5-4具有錐度閥芯的側(cè)向力減小液壓側(cè)向力最常用的方法,是在閥芯外表面開均壓槽。這是一種普遍采用的既簡單又有效的方法。如圖5-5所示,在閥芯的凸肩上開一定數(shù)量的槽,一般槽寬為0.3~1mm,槽深為0.3~0.5mm。槽的邊緣應與滑閥表面垂直,這樣可以避免各種臟物楔入滑閥間隙。由于均壓槽將滑閥圓周方向的油液溝通,因此使槽中各點的壓力趨于相等,側(cè)向力大為減小。閥芯偏斜時均壓槽對徑向液壓力的影響可由圖5-5看出。如果不開均壓槽,則上部縫隙中的壓力按虛線a1分布,下部縫隙中的壓力按虛線b1分布,這時側(cè)向力較大。開了均壓槽以后,均壓槽把從p1到p2的壓力分成幾段,閥芯上部和下部的壓力分布曲線變?yōu)閍和b,側(cè)向力銳減。

研究表明,在滑閥凸肩上開一個均壓槽,其側(cè)向力可減小到不開槽時的40%;等距地開三個均壓槽,則減小到6%;開七個均壓槽,可減小到2.7%。通常視凸肩寬度,在一個凸肩上開3~5條槽。雖然開設均壓槽后會縮短滑閥凸肩的密封長度,但由于偏心量減小,因此反而使泄漏量減小。另外,開設均壓槽后,臟物有了儲存的場所。圖5-5均壓槽對徑向液壓力的影響除了開設均壓槽以外,采用順錐、精密過濾油液也可以減小液壓側(cè)向力。另外,使閥芯產(chǎn)生某種微小位移的“顫振”運動,也用來減小液壓側(cè)向力。這是一種在電液比例閥、電液伺服閥中普遍采用的方法。由于油液極性分子的吸附作用及臟物在間隙中的堆積,也會使閥芯發(fā)生卡緊現(xiàn)象，因此,在輸入的控制信號上疊加一個頻率為50~200

Hz、幅頻不超過額定電流20%的正弦或其它波形的顫振電流,就可以獲得滿意的效果。

3)作用在滑閥上的液動力由流體力學可知,當液體流經(jīng)滑閥閥口和閥腔時,由于液體流動方向和流速發(fā)生變化,造成液體動量的改變,因此閥芯會受到附加的作用力——液動力。在閥口開度一定的穩(wěn)定流動情況下,液動力為穩(wěn)態(tài)液動力;在閥口開度發(fā)生變化時,則還有瞬態(tài)液動力。

(1)穩(wěn)態(tài)液動力。穩(wěn)態(tài)液動力是指滑閥開口一定時,由于流經(jīng)閥口和閥腔的液流及其方向的改變而引起液流速度的改變,導致液體動量變化而產(chǎn)生的液動力。穩(wěn)態(tài)液動力可根據(jù)動量定理求出。如圖5-6所示，閥腔內(nèi)的液體對其邊界面的反作用力為(5-7)

該力沿閥芯的軸線方向的分力就是穩(wěn)態(tài)液動力Fs。其值為正時，該作用力指向液流方向,負值時為反方向。在圖5-6所示情況下,左側(cè)閥口完全開啟,此處的流速很小,其流動方向接近于半徑方向,它的動量影響可略而不計,因此液動力的軸向分力為(5-8)式中:ρ——油液的密度(kg/m3);

q——油液的流量(m3/s);

α——油液流經(jīng)閥出口的速度方向角;

v——油液流經(jīng)閥口的平均流速(m/s)。圖5-6滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力根據(jù)能量方程式,滑閥閥口的平均流速為(5-9)式中:Cv——速度系數(shù),一般Cv=0.95~0.98。如果令Cv=1,則上式又可寫為(5-10)對于理想滑閥,將式(5-10)代入式(5-8),得(5-11)考慮式(5-8)及A=πdx,則上式又可寫為(5-12)式中:Ks——液動力系數(shù),Ks=2Cqπdcosα,為常數(shù)。由上式可見,當壓差Δp一定時,穩(wěn)態(tài)液動力正比于閥口開度x。此時,液動力相當于剛度為KsΔp的液壓彈簧的作用。因此,KsΔp也稱為液動力剛度。公式中的“±”視閥腔的形式而定:如圖5-7(a)所示,當閥腔為一個完整的閥腔時,無論液流如何,穩(wěn)態(tài)液動力的方向使滑閥的開口趨于關閉,即形成關閉力,則公式右邊取“-”號;如圖5-7(b)所示,當閥腔為不完整的結(jié)構(gòu)時,穩(wěn)態(tài)液動力的方向力圖使滑閥的開口趨于開啟,即形成開啟力,則公式右邊取“+”號。上述計算僅對一個閥口而言,若滑閥上同時有幾個閥口工作,則計算結(jié)果應疊加。圖5-7作用在滑閥上的穩(wěn)態(tài)液動力理論分析和實踐表明,對于不存在徑向間隙、閥邊保持銳角的理想滑閥來說,閥口處液流速度的方向角α=69°。當存在徑向間隙Δ和閥口工作邊圓角增大時,α角將減小,特別是在開口最小的情況下,α近似為21°,這時用式(5-12)計算出的穩(wěn)態(tài)液動力誤差較大。如前所述,由于穩(wěn)態(tài)液動力相當于液壓彈簧力,因此它的存在使移動滑閥的軸向力增大,特別是在高壓、大流量情況下,將因為液動力太大而使滑閥操縱困難。因此，需要采取適當?shù)拇胧﹣硌a償穩(wěn)態(tài)液動力。圖5-8軸向液動力補償①采用具有特殊閥腔形狀的負力窗口補償穩(wěn)態(tài)液動力。圖5-8所示為將閥芯和閥套做成曲線形狀來補償液動力的結(jié)構(gòu),相鄰凸肩的聯(lián)接部分為水輪機葉片的剖面形狀,閥體沉割槽加深并做成斜切面。高壓油從A腔以α1角流入C腔,隨即改變流動方向,然后以α2角流出C腔。液流方向的改變是由于滑閥給它以作用力,而液流則產(chǎn)生反作用力作用在滑閥上,其方向恰好與滑閥移動方向相同,即與軸向液動力的方向相反,從而形成開啟力。同時,液流又以α3角返回C腔,使液流對滑閥的開啟力繼續(xù)增大。適當選擇閥腔的參數(shù),就可以使軸向液動力得到較好的補償。圖5-9所示為具有軸向液動力補償?shù)乃耐ɑy。同上,滑閥葉片式切槽所產(chǎn)生的開啟力與中間矩形凸肩閥口所產(chǎn)生的關閉力相互抵消,從而減小了軸向液動力。這種補償方法只要設計得當,就可以獲得較好的補償作用,在大流量時的效果更明顯；但閥芯和閥套的形狀較復雜,加工不便。圖5-9利用負力補償穩(wěn)態(tài)液動力②采用多個徑向小孔補償穩(wěn)態(tài)液動力。當窗口完全開啟后液流的速度方向角就成為90°,此時不會產(chǎn)生軸向液動力,因此可以采用如圖5-10所示的結(jié)構(gòu)。將閥套上的通油孔由沉割槽改成多個直徑為d的小孔來代替,并排列成螺旋線狀,使孔與孔口之間重疊一個距離s,以保證流量與位移的線性關系。采用這種措施后,由于前一個小孔完全打開時液動力為零,只有后一個未完全開啟的小孔產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)液動力,因此穩(wěn)態(tài)液動力便大為減小。通油小孔數(shù)目越多,補償效果就越好；但當閥芯位移較小時，則難以實現(xiàn)多個小孔的布置。圖5-10開多個徑向小孔來補償穩(wěn)態(tài)液動力

(2)瞬態(tài)液動力。當閥芯處于運動狀態(tài)而開口量x發(fā)生變化時,除了上述穩(wěn)態(tài)液動力外,還存在著瞬態(tài)液動力。這是由于閥口開度變化時流量也發(fā)生變化,閥腔內(nèi)的流速也將隨之而變化，因此,閥腔內(nèi)的液體質(zhì)量將由于慣性作用而對閥芯產(chǎn)生一個瞬態(tài)作用力——瞬態(tài)液動力,它的作用方向始終與閥腔內(nèi)液體的加速度方向相反。圖5-11所示為滑閥瞬態(tài)液動力示意圖。(a)圖表示閥口增大且液體向外流動時,由于流量增大,閥腔內(nèi)液體的加速度向右,因此作用在閥芯上的瞬態(tài)液動力Fi向左,使閥口趨于關閉;(b)圖表示閥口增大且液體向內(nèi)流動時,液體的加速度方向向左,因此作用在閥芯上的瞬態(tài)液動力Fi向右,使閥口趨于開啟。圖(a)中的瞬態(tài)液動力驅(qū)使閥口恢復到關閉狀態(tài),因此是一個穩(wěn)定因素。圖(b)中的瞬態(tài)液動力使閥口越開越大,因此對閥芯的驅(qū)動是一個不穩(wěn)定因素。圖5-11作用在滑閥上的瞬態(tài)液動力瞬態(tài)液動力可根據(jù)牛頓第二定律或動量定理進行計算：(5-13)式中:m——閥腔內(nèi)環(huán)形流道中液體的質(zhì)量,m=ρAL;

ρ——液體的密度;

A——閥腔的斷面積;

L——滑閥進油中心到回油中心之間的軸向長度(見圖5-11);

t——時間。將m的表達式代入上式,得式中:q——液體流量。根據(jù)液流連續(xù)性原理,當壓差Δp=常數(shù)時,將q=Cqπdx

代入上式,經(jīng)整理可得(5-14)式中:KL——阻尼系數(shù),KL=±CqπdL;——滑閥開口的變化率,即閥芯的運動速度。從上式可見,瞬態(tài)液動力與滑閥的移動速度成正比,因此它起到粘性阻尼力的作用。阻尼系數(shù)KL的大小與閥腔長度L及有關。當閥口增大且油液向外流動時為正阻尼,KL取正值;當閥口增大且油液向內(nèi)流動時為負阻尼,KL取負值。若<0時,則情況相反。在同一滑閥的不同閥口上,有的瞬態(tài)液動力為正阻尼,有的為負阻尼,此時,必須合理選擇各個閥腔的長度L,以使整個滑閥處于正阻尼狀態(tài)。如果處于負阻尼狀態(tài),則整個滑閥的工作會變得不穩(wěn)定。在閥芯所受作用力中,瞬態(tài)液動力所占比重不大,因此在一般液壓控制閥中通常忽略不計。只有在分析伺服閥和高響應比例閥時才予以考慮。5.2.2錐閥的特性分析

1.流量壓力特性圖5-12所示為錐閥和球閥的結(jié)構(gòu)原理示意圖。假設閥座孔倒角不大,則可以得到與滑閥類似的錐閥類的流量壓力方程，即(5-15)式(5-15)中,閥口通流面積A可分為以下三種情況:①如圖5-12(a)所示，當錐閥座孔無倒角時,②如圖5-12(b)所示,當錐閥座孔有較小倒角時,式中:dm=(d1+d2)。③如圖5－12(c)所示，對于球閥則有錐閥的流量系數(shù)Cq與雷諾數(shù)Re及閥的尺寸和位置有關,通常取0.7~0.8。圖5-12錐閥和球閥

2.液流對錐閥的作用力

1)作用在錐閥上的液壓力作用在錐閥上的液壓力仍然是壓力與面積的乘積,只是這里的面積應是錐閥在其軸線方向上的投影面積。

2)作用在錐閥上的側(cè)向力作用在錐閥上的側(cè)向力主要是由于閥芯與閥座之間存在偏心而引起的,偏心量越大,則側(cè)向力也就越大,因而會使偏心越來越大。

3)作用在錐閥上的液動力根據(jù)液體流經(jīng)錐閥的方向不同,錐閥又可分為外流式(圖5-13(a))和內(nèi)流式(圖5-13(b))兩種。對于錐閥上的液動力,原則上也與滑閥類似,可以分為穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力兩種。

(1)穩(wěn)態(tài)液動力。作用在錐閥上的穩(wěn)態(tài)液動力也可用動量定理來計算。以圖5-13(a)為例,在閥口出流邊以下,沿壁面及閥芯底面取控制體積(圖中陰影部分),根據(jù)動量定理,流入、流出控制體積的液流方向及流速的改變所產(chǎn)生的液動力數(shù)值為(5-16)式中:ρ——油液的密度(kg/m2);

q——油液的流量(m3/s),q=Cqπdmxsinα;

α——錐閥的半錐角(°);

v2——油液流經(jīng)閥出口處的平均流速(m/s),

v2=Cv,令Cv=1時，v2=。圖5-13外流式和內(nèi)流式錐閥將q、v2代入穩(wěn)態(tài)液動力表達式,則有(5-17)

或(5-18)式中:Ks——穩(wěn)態(tài)液動力系數(shù),Ks=±Cqπdmsin2α,為常數(shù)。式(5-18)的括號前為平均直徑dm的面積與壓差的乘積,即壓差造成的液壓作用力;括號內(nèi)的數(shù)值可看成為一個系數(shù)。在圖5-13所示結(jié)構(gòu)形式中,不論是外流式還是內(nèi)流式,由動量定理可知,其穩(wěn)態(tài)液動力始終使閥口關閉。錐閥的結(jié)構(gòu)形式很多,不同結(jié)構(gòu)的錐閥所受液動力情況有所區(qū)別。在圖5-14中,虛線所示控制體積B的上端邊界面是閥芯的底端面,因此,控制體積中的動量變化所產(chǎn)生的軸向液動力對閥芯起作用。同時,閥座的錐面上也會受到軸向液動力的作用,而且錐面上閥芯、閥座的液動力受力分配情況不易通過計算確定。但可以確定的是:錐面的軸向投影面積越寬,則閥座對軸向液動力的影響越大。因此，在錐面寬度不能忽略的情況下,閥芯上實際受到的液動力將比前述計算值小。圖5-14不同形式錐閥上的穩(wěn)態(tài)液動力在圖5-14(a)和(b)中還可以做出控制體積A。不過,它的上、下端都屬于閥體,而閥芯四周的徑向液壓力對稱分布,故不會產(chǎn)生軸向分力。因此,容腔A產(chǎn)生的軸向液動力只作用于閥體而對閥芯不產(chǎn)生影響。所以,圖5-14(a)和(b)中只有B腔引起的穩(wěn)態(tài)液動力,且使閥口關閉。

(2)瞬態(tài)液動力。作用在錐閥上的瞬態(tài)液動力也是因為錐閥開口大小變化引起閥前液流速度改變而導致流道中液體動量的變化所產(chǎn)生的。經(jīng)過與滑閥類似的推導,可以得到與作用在滑閥上瞬態(tài)液動力同樣的公式,即5.3.1單向閥單向閥有普通單向閥和液控單向閥之分。梭閥相當于兩只單向閥的組合,因此將它和單向閥放在一起介紹。根據(jù)單向閥在液壓系統(tǒng)中的作用,對單向閥有以下基本要求:

(1)液流正向流動時阻力要小,即壓力損失要小;

(2)液流反向流動時密封性要好,即泄漏量要小;

(3)動作靈敏,工作時不應有撞擊和噪聲。5.3方向控制閥

1.普通單向閥

普通單向閥簡稱單向閥,它類似于電路中的二極管,是一種結(jié)構(gòu)最簡單的控制閥。其作用是使油液沿一個方向流動,不許反向倒流,所以又稱止回閥。單向閥主要由閥體1、閥芯2和彈簧3所組成。圖5-15所示為普通單向閥結(jié)構(gòu)圖，其中，圖(a)為鋼球式直通單向閥,圖(b)為錐閥式直通單向閥,圖(c)為錐閥式直角單向閥,圖(d)為單向閥的圖形符號。當壓力油由進油口P1自左端進入單向閥時,作用在閥芯上的液壓力便克服彈簧力將閥芯頂開,于是油液由進油口P1流入,經(jīng)過閥芯上的四個徑向孔a及內(nèi)孔b從出油口P2流出。當壓力油從右端進入單向閥時,閥芯在液壓力和彈簧力的作用下,緊壓在閥座上,截斷油路。圖5-15單向閥由油液流動情況來分,單向閥可分為直通式和直角式兩種。直通式結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小巧緊湊,可以直接安裝在管路中。直角式結(jié)構(gòu)復雜,需要另行設置安裝底板,但裝拆、維修比較方便。由于其內(nèi)部流道有轉(zhuǎn)彎,因此流動阻力損失較直通式結(jié)構(gòu)大。單向閥中的彈簧主要用來克服閥芯與閥體的摩擦力和慣性力,使閥芯在液流反向流動時能迅速關閉。為了使單向閥工作靈敏可靠,所以通常彈簧力較小,以免產(chǎn)生較大的壓力降。一般單向閥的開啟壓力約為0.03~0.05

MPa,通過額定流量時的壓力損失一般不超過0.1~0.3MPa。單向閥還可根據(jù)需要更換彈簧,當其開啟壓力達到0.2~0.6MPa,便可做背壓閥用。在液壓系統(tǒng)中,單向閥常用來完成以下幾種功用。

(1)防止逆流,保護液壓泵。圖5-16中的單向閥用以防止油液回流,以避免液壓泵反轉(zhuǎn)或損壞。

(2)與其它液壓控制閥并聯(lián),使該閥只在單方向起作用。圖5-17所示為單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)舉例。因為單向閥的截止作用,所以壓力油必須經(jīng)過節(jié)流閥才能進入液壓缸左腔,從而推動活塞向右移動,由圖中可以看出，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口即可改變液壓缸活塞移動的速度。當壓力油進入液壓缸右腔時,左腔的油液則主要經(jīng)過單向閥回油箱,從而使活塞快速退回。圖5-16單向閥防止逆流示意圖圖5-17單向閥與節(jié)流閥并聯(lián)圖

(3)隔開高、低壓油路,防止高壓油進入低壓系統(tǒng)。圖5-18所示為采用雙聯(lián)葉片泵的供油系統(tǒng)，雙聯(lián)葉片泵常采用高壓小流量泵和低壓大流量泵。當系統(tǒng)壓力較低時,兩泵同時供油,單向閥打開；當系統(tǒng)壓力較高時,低壓大流量泵卸荷,高壓小流量泵繼續(xù)工作。為了防止高壓油進入低壓系統(tǒng),單向閥關閉,從而將高、低壓油路隔開。

(4)作背壓閥,使執(zhí)行元件運動平穩(wěn)。圖5-19所示為在液壓缸的回油路上接單向閥作為背壓閥的實例。由于單向閥的存在,使液壓缸的回油腔(活塞的背面)形成一定的壓力(即背壓),并且可以防止系統(tǒng)不工作時油液流回油箱而造成空氣進入系統(tǒng),從而使執(zhí)行元件運動比較平穩(wěn)。圖5-18單向閥隔開高、低壓油路示意圖圖5-19單向閥作背壓閥示意圖

2.液控單向閥液控單向閥是一種通入控制壓力油后即允許油液雙向流動的單向閥。它由單向閥和液控裝置兩部分組成。圖5-20所示為簡式液控單向閥,其中，圖(a)為結(jié)構(gòu)原理圖,圖(b)為圖形符號圖。該單向閥除了有進油口A和出油口B外,還有一個控制油口X。單向閥受控制活塞a的控制,當控制油口X未通壓力油時,作用與普通單向閥相同,正向流通,反向截止。當控制油口X通入壓力油后,控制活塞通過頂桿打開單向閥,則油液正、反向均可流動。一般來說,其最小控制壓力為主油路壓力的30%~40%。因控制活塞右腔直接與A腔相通,控制活塞右行時泄出的油液直接流入A腔,所以稱為內(nèi)泄式。圖5-20液控單向閥圖5-21所示為復式液控單向閥,復式結(jié)構(gòu)的特點是帶有卸荷閥。當油液反向流動時,進油壓力相當于系統(tǒng)工作壓力,通常很高,控制油的開啟壓力必須很大才能頂開閥芯,這將影響液控單向閥的工作可靠性,因此可采用先導閥預先卸載,此即裝在單向閥閥芯中的卸荷閥(先導閥)c。由于該閥芯承壓面積比較小,無需多大推力便可將它先行頂開，因此當控制壓力油通入油口X使活塞a運動時,將首先打開卸荷閥b,使A、B兩腔連通,B腔逐漸卸壓,直至單向閥閥芯c兩端油壓平衡,控制活塞便可比較容易的將單向閥打開,使油液反向流動。這樣，將使控制壓力相應減小,因此，該單向閥可以用在壓力較高的場合。因控制活塞右腔與泄油口Y相通,當控制活塞右行時,泄出的油液流回油箱,所以這種泄漏形式稱外泄式。圖5-21帶卸荷閥芯的液控單向閥在液壓系統(tǒng)中,液控單向閥常用于完成以下功用。

(1)封閉油路,使液壓缸處于鎖緊狀態(tài)。圖5-22所示是防止液壓缸下滑的回路。換向閥在左、右兩個位置時,液控單向閥開啟使油液往返自由流動。當換向閥處于中立位置時,控制油路通油箱,單向閥關閉,液壓缸下腔被封閉,因此活塞及負載不會因自重而下滑。圖5-23所示為鎖緊回路。當換向閥處于中間位置時,液壓缸停止運動,液壓缸兩腔的油液分別被兩個液控單向閥封閉,即使有外力作用在液壓缸上,活塞也不致發(fā)生運動。采用這種方法可以長時間鎖緊液壓缸。圖5-22液壓缸一腔鎖緊圖5-23液壓缸兩腔鎖緊

(2)作充液閥使用。圖5-24所示為一高架補油裝置,液控單向閥起充液閥的作用。在液壓機主液壓缸系統(tǒng)中,為了使活塞在快速下降過程中不會因自重等原因而使液壓缸產(chǎn)生吸空現(xiàn)象或減壓,必須設置補油裝置,可通過液控單向閥補充油液。當壓力油自油管2進入液壓缸上腔,下腔回油管1回油時,活塞快速空行程下降,充油箱中的油液通過充液閥大量補入液壓缸上腔。當壓力油自油管1進入液壓缸下腔而使活塞上升時,控制壓力油自油管進入充液閥3并將其打開,使液壓缸上腔油液經(jīng)油管2回油的同時,一部分又回到充液箱中。

(3)用于大流量排油。圖5-25所示液壓缸兩腔的有效作用面積相差很大，在活塞退回時,液壓缸右腔排油量驟然增大,此時若采用小流量的換向閥,則會產(chǎn)生節(jié)流作用而限制活塞后退的速度;若加設液控單向閥,則在活塞后退時,控制壓力油將其打開,油液便可順利地經(jīng)液控單向閥從右腔排出。圖5-24作充液閥圖5-25用于大流量排油

3.梭閥梭閥相當于兩只單向閥的組合,它由閥體和閥芯組成。由于閥芯在閥體內(nèi)左右運動時如同梭子一樣,因此稱為梭閥。圖5-26所示為梭閥,其中，圖(a)為結(jié)構(gòu)原理圖,圖(b)為圖形符號。梭閥的閥體上有三個油口,P1、P2為進油口,A為出油口。當油口P1的壓力大于油口P2的壓力時,鋼球被推向右端,油口P1與油口A相通;當油口P2的壓力大于油口P1的壓力時,鋼球被推向左端,油口P2與油口A相通。若兩邊同時通壓力且壓力相等時,則隨壓力油加入順序的不同,鋼球可停留在左邊或者右邊。圖5-26梭閥梭閥的應用很廣,它既可以在葉片式液壓馬達正反轉(zhuǎn)時使葉片底部始終通壓力油,又可以將控制信號有次序地輸入以控制執(zhí)行元件。圖5-27所示為梭閥的一種應用示例,在這個回路中,不論P1或是P2通壓力油,均可使彈簧復位式單活塞桿液壓缸的活塞桿伸出。圖5-27梭閥的應用5.3.2換向閥換向閥是利用閥芯相對于閥體的運動來接通或斷開油路以變換油液流動方向,從而使執(zhí)行元件啟動、停止或換向。對換向閥的基本要求是:

(1)液流通過換向閥時壓力損失要小;

(2)液流在各關閉油口間的縫隙泄漏量要小;

(3)換向控制力小,換向可靠,動作靈敏;

(4)換向平穩(wěn)無沖擊。

1.換向閥的分類及結(jié)構(gòu)

1)滑閥式換向閥

(1)滑閥式換向閥的結(jié)構(gòu)及換向原理?；y式換向閥是應用最廣的一種換向閥,它是靠圓柱形閥芯在閥體內(nèi)沿軸線作往復滑動而實現(xiàn)換向作用的。圖5-28所示為滑閥結(jié)構(gòu)圖。閥芯是一個有多級環(huán)形槽的圓柱體,大直徑部分稱為凸肩,是閥芯與閥體內(nèi)孔配合而起開、閉油路作用的部分,有的較大直徑的閥芯還在軸線中心處加工出回油的通路孔。閥體的內(nèi)孔與閥芯的凸肩部分相配合,閥體上加工出若干個環(huán)形槽,稱為沉割槽。閥體上有若干個與外部相通的油口,它們分別與相應的沉割槽連通。一般來說,換向閥中的P表示與液壓泵相通的壓力油口,A、B表示與執(zhí)行元件相通的工作油口,T(有些書上用O)則表示與油箱相通的回油口。閥芯相對于閥體的不同工作位置數(shù)叫做“位”,如二位、三位等;閥體與系統(tǒng)油路相連通的主要油口數(shù)稱為“通”(其中不包括控制油口和泄漏油口等),如二通、三通、四通、五通等。當閥芯在閥體內(nèi)作軸向運動而移動到不同位置時,閥中各油口的連通關系即發(fā)生改變,于是便可以得到二位二通、二位三通、二位四通、二位五通、三位四通、三位五通等不同形式的換向閥,這就是換向閥的換向原理。圖5-28滑閥結(jié)構(gòu)圖表5-1所示為換向閥的結(jié)構(gòu)原理和圖形符號。圖形符號的含義:

a.“位”數(shù)用實線方格數(shù)表示(由虛線相隔的方格表示過渡位置),一個方格表示一個“位”,有幾“位”就應該畫幾個方格,如二位即兩個方格。

b.在一個方格內(nèi),箭頭首尾或堵塞符號“⊥”、“┬”與一個方格的相交點數(shù)為油口通路數(shù),即“通”數(shù)。箭頭表示兩油口相通;“⊥”、“┬”表示該油口不通。

c.油口具有固定的含義和方位。P為進油口,一般位于方格的左下方(五通閥則位于方格下方的中間位置);A、B表示與執(zhí)行元件相通的工作油口,分別位于方格的左上方和右上方;T為回油口,一般位于方格的右下方(五通閥則位于方格的左下方和右下方)。

d.控制方式和彈簧符號畫在方格的兩側(cè)。

e.閥芯未受控制動力時所處的位置為常態(tài)位置。三位閥中間的一格、兩位閥畫有彈簧的那一格即為常態(tài)位置。二位二通閥有常開型和常閉型兩種,前者常態(tài)位置時兩油口連通,后者則不通。在液壓系統(tǒng)原理圖中,換向閥的符號與油路連接一般應畫在常態(tài)位置上,所以常態(tài)位置這一格的油口通常畫出格外。

(2)滑閥的工作原理和應用舉例。

a.二位二通滑閥。圖5-29所示為二位二通滑閥。這種閥的閥芯上有兩個凸肩,閥體上有兩條沉割槽,形成兩個油腔,分別與油口P、A相通。閥芯有兩個工作位置:一個是常態(tài)位置,此時閥芯被推向左端;另一個是閥芯在外力作用下右移。由此可見,二位二通閥實際上是一個液壓開關,主要用于切斷或接通油路。表5-1中的二位二通閥,左位P通A,右位P不通A,這種形式為常閉式。而圖5-29(a)所示的二位二通閥則在常態(tài)時油口P、A接通,在外力作用下P、A不通,所以稱為常開式。圖5-29二位二通滑閥圖5-29(b)所示為常閉式二位二通閥的一個應用實例。在常態(tài)下,滑閥關閉,液壓泵向系統(tǒng)供油;滑閥打開,液壓泵卸載。

b.二位三通滑閥。如表5-1所示,這種閥的閥芯上有兩個凸肩,閥體上有三條沉割槽,形成三個油腔,各自和油口P、A、B相通。閥芯有兩個位置:一個是常態(tài)位置,油口P和A相通,與B油口斷開;另一個位置是閥芯右移,油口P和B相通,與A油口斷開。圖5-30所示為用二位三通閥控制彈簧復位式單活塞桿液壓缸換向的原理圖。當滑閥處于圖示位置時,液壓缸左腔通壓力油,活塞桿伸出;當閥芯受外力作用右移后,液壓缸左腔通油箱,活塞桿在彈簧作用下縮回。

c.二位四通滑閥和二位五通滑閥。如表5-1所示,這兩種閥的閥芯通常有三個凸肩,閥體上有五條沉割槽,形成五個油腔,其中:左、右兩端的沉割槽若從閥體上連通,則只有四個油腔，分別與P、A、B、T相通;左、右兩端的沉割槽若未連通,則有五個油腔分別與P、A、B、T1、T2相通。滑閥處于常態(tài)位置時,對于四通閥,則是P通B,A通T;對于五通閥，則是P通B,A通T1,T2不通。閥芯右移,對于四通閥，則是P通A,B通T;對于五通閥，則是P通A,B通T2,T1不通。圖5-31所示為二位四通閥的一種應用實例。它只能控制液壓缸前進與后退,沒有中間停留位置。圖5-30二位三通閥應用圖5-31二位四通閥應用

d.三位四通滑閥和三位五通滑閥。如表5-1所示,這兩種閥的閥芯與閥體與二位四通閥和二位五通閥相同。通常三位閥兩端都裝有彈簧,當沒有外部作用力時,兩個彈簧使閥芯處于中立位置,P、A、B、T都不通。兩端操縱力使閥芯左、右移動時,使之到達兩個不同的極端位置,這樣就可以得到三個不同的位置。左、右兩位的油口和二位閥相同。圖5-32所示為三位四通閥和三位五通閥的一種應用實例。(a)圖表示三位四通閥的應用,由于滑閥具有中間位置,因此液壓缸除左、右移動外,還可以在任意位置上停留。(b)圖表示三位五通閥的應用,由于有兩個回油口,通過兩只液阻不同的節(jié)流閥回油,因此當液壓馬達正、反轉(zhuǎn)時,即可得到兩種不同的轉(zhuǎn)速。圖5-32三位閥的應用

(3)滑閥的操縱方法和特點?；y一般在外部操縱力和彈簧力的作用下實現(xiàn)換向。常用的外部操縱力大致有以下幾種。

a.手動滑閥。手動滑閥是直接用手操縱的換向閥,它有彈簧自動復位和鋼球定位兩種不同的形式。圖5-33(a)所示為自動復位式手動換向閥的結(jié)構(gòu)圖。它由手柄1、閥芯2、閥體3、套筒4、彈簧5和法蘭蓋6等組成。(a)圖表示自動復位式,(b)圖表示鋼球定位式,(c)圖表示它們的圖形符號。扳動手柄即可換位,松手后,自動復位式閥芯在彈簧的作用下自動回到中間位置。鋼球定位式閥芯即可停留在鋼球卡在某一定位溝槽的那個位置上。手動滑閥結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,動作可靠,有的還可人為地控制閥口的大小,從而能夠控制執(zhí)行元件的速度。但由于其需要人力操縱,故只適用于間歇動作且要求人工控制的場合,使用壓力和流量不能太大。通常，在操縱手動滑閥時應能同時觀察到運動部件的動作,常用于起重運輸機械、工程機械等。圖5-33三位四通手動換向閥

b.機動滑閥。機動滑閥又稱行程閥。這種閥必須安裝在液壓缸附近,在液壓缸驅(qū)動工作部件的行程中,當裝在工作部件一側(cè)的擋鐵或凸輪移動到預定位置時就推動閥芯,使閥換位。圖5-34所示為二位二通常閉型機動滑閥的結(jié)構(gòu)圖(圖(a))和圖形符號圖(圖(b))。它由滾輪1、導桿2、前蓋3、閥體4、閥芯5、彈簧6和螺蓋7等組成。機動滑閥通常只有兩個位置:滾輪沒有受壓時,閥芯在彈簧的作用下處于左端;當擋鐵或凸輪將滾輪壓入時,閥芯被推至右端,這樣便實現(xiàn)了換位。機動換向閥結(jié)構(gòu)簡單,動作可靠,重復位置精度高；換向時閥芯移動速度緩慢,引起的液壓沖擊和噪聲較小。但因為它的安裝位置離不開有關的運動部件,所以使用受到限制。它常用于機床工作臺的換向回路中。圖5-34二位二通常閉型機動滑閥

c.電磁滑閥。電磁滑閥簡稱電磁閥,它利用電磁鐵的吸力操縱閥芯換位,電磁鐵則接受按鈕開關、行程開關和微動開關等電氣元件的信號而發(fā)生動作。電磁閥是連接電氣控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的元件,它使得液流換向能采用電氣來控制,是現(xiàn)在和將來很有發(fā)展前途的一種操縱方法,因此在液壓系統(tǒng)中應用很廣。電磁滑閥中常用的電磁鐵實質(zhì)上是一種特定結(jié)構(gòu)的牽引電磁鐵,它根據(jù)線圈電流的“通”、“斷”而使銜鐵吸合或釋放，因此只有“開”與“關”兩個工作狀態(tài),常稱其為開關型電磁鐵。閥用電磁鐵的品種很多,可歸納為交流型、直流型和本整形電磁鐵,每一種又有干式和濕式之分。由于磁場不同,因此其結(jié)構(gòu)、材料和性能各有自己的特點,見表5-2。圖5-35所示為干式直流電磁鐵,圖5-36所示為濕式交流電磁鐵。它們都是由線圈、導磁套、擋鐵、銜鐵及推桿等主要零件組成的。線圈通電后在上述零件中產(chǎn)生閉合磁回路，銜鐵與擋鐵間的工作氣隙中產(chǎn)生磁力作用吸合銜鐵,使推桿移動。斷電時電磁吸力消失,銜鐵靠彈簧力(圖中未畫出)而復位。通常,直流電磁鐵常用電壓為24V(也有用110V的);交流電磁鐵常用電壓為220V(也有用380V、127V、110V或36V的),頻率為50Hz。無論哪種電磁鐵,其電源電壓不得低于額定電壓的85%,不得高于額定電壓的115%。

若電壓太低,則吸力減小,從而影響換向可靠性;若電壓太高,則電磁鐵線圈容易發(fā)熱而燒壞。所謂“干式”或“濕式”,是指銜鐵工作腔是否有油液而言的。干式電磁鐵的銜鐵與擋鐵之間的介質(zhì)為空氣,更換電磁鐵方便,但是推動閥芯用的推桿要嚴格密封,密封處的摩擦力會影響電磁鐵的換向可靠性。濕式電磁鐵則避免了這一缺點(如圖5-36所示),它由導磁套3(又稱耐壓管)、封油蓋6和底座等組成一個密封腔。銜鐵4和推桿1在腔內(nèi)自由移動,壓力油通過底座和推桿之間的間隙進入導磁套腔內(nèi),因此套內(nèi)是“濕”的,并可承受一定的液壓力。槽a使銜鐵兩端油室溝通,以避免容積閉死而影響銜鐵運動；同時還起阻尼孔作用,以避免銜鐵運動時發(fā)生硬性沖擊。線圈2安裝在導磁套3和外殼5之間,與油液隔絕,因此線圈仍處于干式狀態(tài)。外殼、底座、銜鐵等都采用導磁性良好的材料制成。線圈通入電流后,產(chǎn)生的磁力線形成了一閉合磁路,吸動銜鐵,然后通過推桿推動閥芯移動。導磁套必須用非磁性材料或用隔磁套(銅套)9將其隔斷,以避免磁力線通過導套而構(gòu)成回路,這將影響通過銜鐵的磁力線,從而降低對銜鐵的吸力。7為放氣螺釘,工作前擰動它,以排除導磁套內(nèi)的空氣。濕式電磁鐵由于取消了推桿上的密封而提高了可靠性,銜鐵和推桿工作時處于潤滑狀態(tài),并受到油液的阻尼作用而使沖擊減弱,因此已逐漸取代傳統(tǒng)的干式電磁鐵。圖5-35干式直流電磁鐵圖5-36濕式交流電磁鐵除上述交流、直流電磁鐵外,閥用電磁鐵還有一種本整型即本機整流型電磁鐵,這種電磁鐵上附有二極管整流線路和沖擊電壓吸收裝置。在圖5-36中,接線用的插頭座8在直接使用交流電源的同時具有直流電磁鐵的特性,因而兼有前述兩者的優(yōu)點。圖5-37(a)所示為二位四通交流電磁換向閥的結(jié)構(gòu)圖。電磁鐵通電時,銜鐵帶動推桿使閥芯右移;不通電時,閥芯靠彈簧復位。電磁鐵左端的5代表應急手動按鈕,當電磁鐵失控或需檢驗閥的功能時,可以通過手動按鈕從外部用手來改變閥芯的位置。圖(b)為其圖形符號。圖5-37二位四通交流濕式電磁換向閥圖5-38(a)所示為二位四通鋼球定位式直流干式電磁換向閥的結(jié)構(gòu)圖。它有兩個電磁鐵,閥體左端裝有定位套,套的內(nèi)壁有兩條定位槽,槽的間距正好是閥芯換向的行程。閥芯在定位套內(nèi)的一端裝有定位鋼球4和定位彈簧3。當閥芯處于圖示位置時,P和A、B和T相通。閥芯右移時,鋼球彈出而卡在右邊的定位槽內(nèi),起定位作用。當左邊的電磁鐵斷電時,閥芯仍能穩(wěn)定地保持該電磁鐵斷電前的位置;當右邊的電磁鐵通電時,閥芯左移,鋼球又卡到左邊的定位槽內(nèi)。

圖(b)為其圖形符號。由于電磁鐵斷電后仍然能保留通電時的狀態(tài),因此減少了電磁鐵的通電時間,延長了電磁鐵的工作壽命,節(jié)省了能源。此外,當電磁鐵的供電電源因故中斷時,電磁閥的工作狀態(tài)還能保留下來,從而避免系統(tǒng)失靈或出現(xiàn)事故。這種“記憶”功能對于一些連續(xù)作業(yè)的自動線來講,往往是十分必要的。圖5-38二位四通鋼球定位式直流干式電磁換向閥圖5-39所示為三位四通濕式電磁滑閥。圖中右面為濕式直流電磁鐵的剖面圖,回油腔的油液可以進入電磁鐵內(nèi)部。左、右兩個電磁鐵都不通電時,閥芯在對中彈簧4的作用下處于中位,因此,該換向閥具有三個位置。圖5-39三位四通濕式電磁滑閥電磁滑閥換向靈敏、迅速，操作方便,便于實現(xiàn)自動控制與遠距離控制。但因電磁鐵吸力有限,所以它一般只用于壓力和流量不大(小于63L/min)的場合。除上述電磁滑閥外,近年來新發(fā)展了一種電磁球閥,它以電磁鐵為動力,推動鋼球?qū)崿F(xiàn)油路的通斷和切換。與電磁滑閥相比,電磁球閥具有密封性好,反應速度快,使用壓力高和適應能力強等優(yōu)點,是一種頗具特色的換向閥。但因它不像滑閥那樣具有多種位通組合形式和滑閥機能,故限制了其使用范圍。

d.液動滑閥。液動滑閥是利用控制油路的壓力油來改變閥芯在閥體內(nèi)的相應位置,從而實現(xiàn)換向的換向閥。圖5-40所示為三位四通液動滑閥的結(jié)構(gòu)圖。兩端控制油口沒有壓力油通入時,滑閥在兩端彈簧的作用下處于中位。當左控制油口通入壓力油而右控制油口回油時,閥芯向右運動;反之,閥芯向左運動?？刂朴涂梢允怯吐分蟹殖龅囊徊糠钟土?也可以由專設的控制油源供給。圖5-40三位四通液動滑閥為了控制滑閥的換向速度,提高換向動作的平穩(wěn)性,可在閥的控制油路上設置可調(diào)節(jié)的單向節(jié)流閥(或稱阻尼器),以調(diào)節(jié)控制油路的流量。其工作原理如圖5-41所示。當控制壓力油由左控制油口流入,從單向閥1進入液動滑閥閥芯左端時,右端的油液只能從該端的節(jié)流閥2流出。由于節(jié)流閥通流面積可調(diào),因此換向速度可以得到控制。液動滑閥的操縱力較大,適用于高壓大流量系統(tǒng)。圖5-41液動滑閥

e.電液動滑閥。電液動滑閥是由電磁滑閥和液動滑閥組合而成的組合閥。電磁閥是一個小尺寸的先導閥,主要用以變換控制油路的油流方向,使液動閥換向。液動閥是一大規(guī)格的主閥,主要用以變換進入執(zhí)行元件的油流方向,使執(zhí)行元件換向。圖5-42(a)所示為三位四通彈簧對中電液換向閥的結(jié)構(gòu)圖,其先導閥為三位四通電磁滑閥。

當兩個電磁鐵均不通電時,主閥芯兩端的油腔均經(jīng)電磁閥與油箱相通,主閥芯則在兩端彈簧的作用下停留在中位。圖示液動閥在中位時,P、A、B、T四個油口均不相通。左邊電磁鐵通電時,主閥芯有一位置;右邊電磁鐵通電時,主閥芯又有另一位置。圖5-42(b)所示為電液動閥的詳細圖形符號,圖5-42(c)為簡化圖形符號。圖5-42三位四通電液動滑閥(a)結(jié)構(gòu)；(b)詳細圖形符號;(c)簡化圖形符號*2)轉(zhuǎn)閥式換向閥轉(zhuǎn)閥式換向閥是通過閥芯在閥體內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動而實現(xiàn)換向作用的。圖5-43所示為轉(zhuǎn)閥的工作原理圖。當閥芯處于圖(a)位置時,壓力油口P和回油口T被封閉,油口A和B也不相通,執(zhí)行元件處于停止狀態(tài)。當閥芯順時針轉(zhuǎn)一個角度處于圖(b)位置時,油口P與B相通,壓力油進入執(zhí)行元件的一個油腔,而另一個油腔的油液經(jīng)A油口流入轉(zhuǎn)閥,經(jīng)T油口回油箱。當閥芯逆時針轉(zhuǎn)過一個角度處于圖(c)所示位置時,則P通A,B通T,從而實現(xiàn)換向。圖5-43轉(zhuǎn)閥的工作原理圖5-44所示為三位四通轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)圖。壓力油P始終與閥芯1的環(huán)槽c及軸向槽b、d相通，回油口T始終與閥芯的環(huán)槽a及軸向槽e、f相通。圖示位置時,P通A,B通T,轉(zhuǎn)動閥芯時可使四個油口封閉,再轉(zhuǎn)動閥芯時可使油路換向。圖中2為手柄,3、4為機動換向撥桿,手柄由鋼球定位。所以轉(zhuǎn)閥既可手動,又可機動。圖5-44三位四通轉(zhuǎn)閥的結(jié)構(gòu)圖

2.換向閥的結(jié)構(gòu)分析

1)滑閥機能換向閥處于常態(tài)位置時,閥中各油口的連通方式稱為滑閥機能。采用不同滑閥機能的換向閥，將直接影響執(zhí)行元件的工作狀態(tài),如停止還是運動，前進還是后退，快速還是慢速，卸荷還是保壓等。正確選擇換向閥的滑閥機能是十分重要的。對于二位滑閥,其滑閥機能相應比較簡單,如二位二通閥只對所連通的兩個油口進行開、關控制,按照常態(tài)位置，兩個油口的連接關系分為常開式和常閉式兩種。而對于三位滑閥,其滑閥機能相應比較復雜,在三個工作位置中,左、右兩位用于換向,其連通情況基本相同,而中間位置油路的連通形式則根據(jù)工作要求不同而形式各異。續(xù)表下面就閥的控制性能與油口連通情況的關系作一簡單的說明。

(1)保壓或卸荷作用。液壓泵的保壓或卸荷主要與滑閥處于中立位置時壓力油口P的連接情況有關。如果油口P與T不相通(如O、Y、P、J、C型滑閥機能),則液壓泵可以保壓,這種情況適用于一泵多缸的液壓系統(tǒng)。如果油口P與回油口T相通(如M、H、K型滑閥機能),則液壓泵卸荷。

(2)執(zhí)行元件停止運動時的鎖緊狀態(tài)。執(zhí)行元件停止時的鎖緊或浮動狀態(tài)主要與滑閥處于中立位置時油口A、B的連接狀態(tài)有關。如果油口A、B關閉(如O、M

型滑閥機能),則閥所控制的液壓缸完全成為鎖緊狀態(tài),此時不能利用手搖機構(gòu)來調(diào)節(jié)液壓缸所帶動的運動部件(例如工作臺)的位置。如果油口A、B都與回油口T相通(如H、Y型滑閥機能),則閥所控制的液壓缸呈浮動狀態(tài),可以用手搖機構(gòu)來調(diào)節(jié)運動部件的位置。如果油口A、B都與油口P連通(如P型滑閥機能),則此時液壓缸兩腔同時通入壓力油。這對于單活塞桿液壓缸來說等于差動連接,活塞快速運動;對于雙活塞桿液壓缸來說,因兩腔互通,故可用手搖機構(gòu)來調(diào)整位置。

(3)制動作用、位置精度及換向性能。由于執(zhí)行元件從運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換到停止狀態(tài)時,控制它的三位滑閥的閥芯要回到中間位置，而執(zhí)行元件在運動中換向時,閥芯則要從一端經(jīng)中間位置到另一端，因此,閥在中間位置時油路的連接形式對執(zhí)行元件的制動特性、停止時的位置精度和換向性能等都有很大影響。如果中立位置時A、B兩油口都關閉(如O、M型滑閥機能),則它所控制的液壓缸兩腔都封閉,油液不能流動,致使液壓缸迅速制動,且停止時的位置精度較高。但因液壓缸活塞及其帶動的運動部件的慣性作用,使液壓缸一側(cè)的壓力急劇增加,另一側(cè)則產(chǎn)生負壓,因此,使用這種機能,執(zhí)行元件停止運動時或換向時的壓力沖擊較大,換向平穩(wěn)性較差,特別在運動速度很大和運動部件的質(zhì)量很大時影響更大。如果在中立位置時A、B兩油口是連通的(如U、P、Y型滑閥機能),則換向過程中液壓缸不易迅速制動,且停止時的位置精度較低,但換向平穩(wěn)性好,液壓沖擊也小。

(4)液壓缸停止運動后重新啟動的平穩(wěn)性。如果A或B油口與回油口相通(如Y、J型滑閥機能),則液壓缸停止運動時缸內(nèi)有一部分油液會因自重而反流回油箱,缸內(nèi)便有氣體進入,因此再啟動時會發(fā)生向前突進的不穩(wěn)定現(xiàn)象,并且容易在低速運動時產(chǎn)生爬行。如果A、B兩油口是完全封閉的,就可避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。三位滑閥除了在中間位置有各種不同的滑閥機能之外,有時由于特殊的使用要求,將左、右兩位也設計成具有不同機能的形式。這時用第二個字母代表右位,第三個字母代表左位。如圖5-45(a)所示為OP型滑閥機能,圖(b)所示為MPH型滑閥機能。圖5-45滑閥的特殊機能圖5-46滑閥機能的過渡狀態(tài)對于二位四通滑閥,為了避免滑閥在換向過程中的中間過渡位置時,由于壓力油口P的突然關閉而引起系統(tǒng)中的壓力沖擊,可以把閥芯在中間過渡位置的油口連通形式做成H、X等機能。三位滑閥也可有不同的過渡狀態(tài)機能,這樣既可以避免壓力沖擊,同時也能使P油口保持一定的壓力。其符號如圖5-46所示,過渡位置機能畫在中間方格,并用虛線和兩端位置隔開。通常只有液動閥或電液動閥才設計成不同的過渡機能,而電磁閥由于總行程較短,不易將閥芯設計成具有提前啟閉的功能。所以,電磁閥一般都是標準的滑閥機能而不設置過渡機能。

2)閥體和閥芯的結(jié)構(gòu)分析以三位四通閥為例,其閥體根據(jù)沉割槽數(shù)不同可分為五槽式、四槽式和三槽式三種。五槽式閥體上開有五條沉割槽,對應的閥芯有三凸肩式,也有四凸肩式,如圖5-47所示。四槽式的閥體上開有四條沉割槽,閥芯為四凸肩式,見圖5-48所示,中間有一孔將兩端的環(huán)形槽溝通,常與油箱相通。三槽式如圖5-49所示,閥體上開有三條沉割槽,閥芯為二凸肩式。圖5-47五槽式結(jié)構(gòu)(a)三凸肩式；(b)四凸肩式圖5-48四槽式結(jié)構(gòu)圖5-49三槽式結(jié)構(gòu)下面，對五槽式、四槽式和三槽式三位四通閥的閥體和閥芯的結(jié)構(gòu)進行比較。

(1)外形尺寸。五槽式閥體軸向尺寸最長,四槽式次之,三槽式最短。

(2)加工工藝性。五槽式閥體沉割槽最多,因此加工面最多。由于五槽式閥體與閥芯的配合面最長,因此加工精度要求高,且閥芯容易卡死。四槽式次之,三槽式則最好加工。但在允許有背壓的條件下,三槽式的推桿和閥芯卻比五槽式難于加工,推桿必須做成T字形,而閥芯兩端也必須有相應的T形槽(如圖5-49所示)。

(3)換向性能。五槽式、四槽式結(jié)構(gòu)雖然復雜,且由于閥體與閥芯配合面較長而使摩擦力增加,但因為有兩個對稱的完整閥腔,因而作用在閥芯上的總液動力使閥口趨于關閉,所以復位性能較好。三槽式由于其閥芯上只有兩個凸肩,因此有一個完整閥腔和一個不完整閥腔。液流流經(jīng)兩個閥口的液動力,一個使閥口趨于關閉,一個使閥口趨于開啟,不利于閥芯的復位。此外,三槽式回油背壓不等于零時,推桿處密封圈的摩擦力增大,對滑閥的換向不利。

(4)泄油方式。五槽式和四槽式結(jié)構(gòu)閥芯兩端的泄漏油,必須用單獨的泄油口接回油箱。三槽式的泄漏油和回油合在一起,不需要單獨的泄油口。

(5)背壓。五槽式和四槽式結(jié)構(gòu)因為有單獨的外泄油口,所以回油背壓可以較高。三槽式結(jié)構(gòu)因為無單獨的外泄油口,所以回油背壓必須偏低,否則會影響閥的性能。

3)鑄造流道與機加工流道當閥體采用五槽式和三槽式結(jié)構(gòu)時,兩端的回油腔需通過閥體上的內(nèi)部孔道溝通,然后作為一個回油口通油箱。閥體內(nèi)部孔道可以用鑄造的方法來加工,也可以用機加工方法來加工,分別如圖5-50和圖5-51所示。理論分析表明,鑄造流道可以大大減小液流局部阻力損失,有利于閥芯復位。但鑄造流道工藝較復雜,鑄件易報廢,清砂較困難。機加工流道除了機加工量大之外,更重要的是液流局部阻力損失較大。因此,采用鑄造流道的閥與相同規(guī)格的機加工流道的閥相比,額定流量可以提高一至二倍。圖5-50鑄造流道剖面圖圖5-51機加工流道剖面圖

3.換向閥的性能分析根據(jù)對換向閥的基本要求,我們希望在換向過程中換向閥換向可靠,平穩(wěn)無沖擊,壓力損失小,泄漏量小。

1)換向的可靠性換向閥的換向可靠性主要包括兩個方面:一是在換向信號發(fā)出后,閥芯能靈敏地運動到所指定的位置;二是在沒有換向信號時,閥芯在彈簧力的作用下能自動復位到原始位置。為保證可靠換向,必須使換向推力F大于換向阻力。對于手動或機動換向閥的推力,一般總能適應換向過程的要求,而電磁閥和液動閥的推力則有一限定數(shù)值。由于電磁吸力(對于滑閥則是推力)隨氣隙的減小而迅速增大,因此,為了不致使電磁鐵的吸力明顯降低,要求工作行程不能太大,一般為3~6mm。液動閥的最小控制油壓通常取0.5~1.5MPa。換向閥在換向過程中的換向阻力有摩擦阻力Fm、液動力Fs、彈簧力Ft以及閥芯兩端回油壓差引起的液壓軸向力Fz等。若換向閥高頻換向,則還應計其慣性力的影響。這樣,當F＞Fm+Ft±Fs±Fz時,換向閥即可可靠換向。為了保證換向閥可靠復位,則必須使彈簧力Ft大于摩擦力Fm、液動力Fs及液壓軸向力Fz的代數(shù)和,即Ft＞Fm±Fs±Fz。除了采取液壓對中的結(jié)構(gòu)外,一般換向閥的彈簧都起恢復中位的作用(在二位換向閥中是恢復原始位置),因此是復位彈簧。從復位要求來講,希望彈簧力要大;但是對于換向來說,彈簧力是阻力,所以要求彈簧力小。設計時應在保證可靠復位的前提下減小彈簧力,以免增加換向阻力。彈簧力Ft由下式確定:(5-19)式中:K——彈簧剛度(N/m);

X0——彈簧預壓縮量(m);

X——滑閥的開口長度(m);

l——滑閥的封油長度。摩擦阻力Fm主要由液流作用在滑閥上的側(cè)向力所形成,詳細情況已在5.2節(jié)所述。而干式電磁鐵中推桿上的O型密封圈的摩擦力一般由下式計算:(5-20)式中:Ff——O型密封圈預壓縮量產(chǎn)生的單位長度上的摩擦力,Ff≈180N/m;

D——推桿直徑(m);

d0——O型密封圈的斷面直徑(m);

fm——O型密封圈的摩擦系數(shù),fm=0.1~0.2;Δp——O型密封圈前、后的壓差(MPa)。液動力Fs的分析和計算以及補償措施亦已討論,計算時應按具體結(jié)構(gòu)來確定最大值及其作用方向。液壓軸向力Fz是由于閥芯移動時兩端出現(xiàn)的壓力差而產(chǎn)生的,其方向與閥的基本結(jié)構(gòu)有關。如圖5-52所示,當閥芯為二凸肩結(jié)構(gòu)時,軸向力Fz與彈簧力Ft方向相反。如圖5-47(a)所示,若閥體為五槽式結(jié)構(gòu),閥芯為三凸肩式結(jié)構(gòu)時,則軸向力Fz與彈簧力Ft方向相同。